REABILITAÇÃO ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS ENVOLVENTE VERSUS EQUIPAMENTOS CONSTRUÇÃO E REABILITAÇÃO

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1 REABILITAÇÃO ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS ENVOLVENTE VERSUS EQUIPAMENTOS PEDRO MIGUEL GASPAR FARIA Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em, CONSTRUÇÃO E REABILITAÇÃO JÚRI: Presidente: Prof. António Heleno Domingues Moret Rodrigues Orientador: Prof. Albano Luís Rebelo da Silva das Neves e Sousa Vogal: Prof. Daniel Aelenei DEZEMBRO DE 212

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3 AGRADECIMENTOS Ao professor Albano Neves e Sousa pela orientação prestada ao longo da elaboração da dissertação, fundamental para me manter no caminho certo. Ao Dr. Yi Zhang por ter criado e disponibilizado graciosamente o JEPlus, aplicação que permitiu a execução do estudo paramétrico. Aos meus pais porque providenciaram as condições para que pudesse chegar até aqui e sempre me apoiaram em todas as etapas da minha vida académica e profissional. Aos meus sogros por estarem sempre disponíveis e por terem tornado este percurso académico mais fácil. À Cláudia, a minha cara-metade, por me ter incentivado a realizar o mestrado e pelo grande apoio que me deu ao longo do mesmo, mesmo quando duvidei. A tantos outros que ao longo deste percurso passaram pelo meu caminho e que foram uma preciosa ajuda de força e estímulo para este projeto, o meu agradecimento. i

4 RESUMO Esta dissertação tem como objetivo primordial verificar se a análise económica de reabilitação da envolvente e de instalação de equipamentos mais eficientes para climatização ou produção de águas quentes sanitárias poderá privilegiar os equipamentos, dado ter por base a consideração de condições nominais de climatização permanente. A efetivação do objetivo terá como ponto de partida a definição de perfis de utilização dos equipamentos mais representativos da realidade, procedendo-se então a uma análise de casos de estudo com comparação de investimentos em envolvente e equipamentos tendo em conta esses mesmos perfis de utilização. Para elaboração dos casos de estudo definiram-se três perfis de utilização de equipamentos de climatização, com 6h, 12h e 24h de utilização diária, investimentos em equipamentos de climatização, investimentos em reabilitação da envolvente no que diz respeito a cobertura, paredes, caixilharia e proteção solar exterior, e analisou-se todas essas opções mediante a localização, tipologia, relação A/B, relação Aenv/Apav, número de pisos e tipo de cobertura. Da análise dos resultados obtidos para os perfis de utilização definidos tornou-se claro que a diminuição do período de climatização conduz a um aumento significativo do período de retorno do investimento, quer se trate de melhorias de equipamentos, de melhorias na envolvente ou de ambas. A análise dos resultados permite ainda concluir que a redução do número de horas de utilização dos equipamentos de climatização não aumenta a importância destes face à envolvente, uma vez que ambos são penalizados do ponto de vista estritamente económico com a redução dos períodos de climatização. PALAVRAS-CHAVE RCCTE; Investimento; Envolvente; Equipamento; Simulação; EnergyPlus; jeplus. ii

5 ABSTRACT This dissertation will verify if the economic analysis for the rehabilitation of the surrounding building elements and the installation of HVAC or hot water producer equipment of higher efficiency may or may not privilege the equipment, because it is based on the assumption of a permanent use of the equipment. To accomplish that goal and as a starting point, it was established equipment use profiles more representative of reality, so that the study cases could be analyzed to compare the investment in the rehabilitation of the surrounding building elements to the investment in equipment, considering the use profiles. To elaborate the study cases we defined three HVAC usage profiles, with 6h, 12h and 24h of daily use, investments in HVAC equipment, investments in the rehabilitation of the surrounding building elements concerning the roof, the walls, fenestration surface and external shading, and analyzed all those options by location, pavement area, A/B relation, Aenv/Apav relation, number of floors and roof type. From the analysis of the three use profiles results, it is clear that the reduction of the HVAC daily use leads to a significant increase in the cash payback period, whether we focus on investment in HVAC equipment, investment in the rehabilitation of the surrounding building elements or both. Results analysis also conclude that the reduction of the amount of time when HVAC equipment is used does not increase the importance of the equipment over surrounding building element, as both are economically penalized. Keywords RCCTE; Investment; Surrounding building elements; Equipment; Simulation; EnergyPlus; jeplus. iii

6 Índice Agradecimentos... i Resumo... ii Palavras-chave... ii Abstract... iii Keywords... iii Abreviaturas... vii Simbologia... viii Índice de Figuras... x Índice de Tabelas... xv 1 Introdução Motivação Objetivos e metodologia Organização da dissertação Sistema de Certificação Energética Regulamento das características de Comportamento Térmico dos Edifícios Certificação energética Análise económica Parâmetros do estudo Localização Relação A/B Orientação Relação Aenv/Apav N.º de Pisos Tipo de Cobertura Proteção solar exterior Caixilharia Paredes Cobertura Climatização iv

7 3.13 Perfis de Utilização de Equipamentos de Climatização Águas quentes sanitárias Custo das propostas de melhoria Equipamentos de climatização Envolvente Equipamentos para AQS Custo da energia Método de análise paramétrica EnergyPlus Introdução de dados no EnergyPlus jeplus Introdução de dados no jeplus Resultados Relações das melhorias da envolvente e dos equipamentos de climatização com as características do edifício Relação entre melhorias da envolvente e características do edifício Relação entre melhorias dos equipamentos de climatização e características do edifício Melhorias na envolvente vs. equipamentos Faro Melhorias em paredes vs. equipamentos Melhorias em coberturas vs. equipamentos Melhorias em caixilharia vs. equipamentos Melhorias em proteção solar exterior vs. equipamentos Melhorias na envolvente vs. equipamentos Bragança Melhorias em paredes vs. equipamentos Melhorias em coberturas vs. equipamentos Melhorias em caixilharia vs. equipamentos Melhorias em proteção solar exterior vs. equipamentos Melhorias na envolvente vs. Equipamentos Resumo de envolvente vs. equipamentos v

8 7 Melhorias em AQS Conclusões e perspetivas de desenvolvimentos futuros Conclusões Perspetivas de desenvolvimentos futuros Bibliografia Anexos vi

9 ABREVIATURAS ADENE Agência para a energia AQS Águas Quentes Sanitárias CE certificado energético COP coeficiente de desempenho EER índice de eficiência de energia RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização nos Edifícios SCE Sistema Nacional de Certificação Energética vii

10 SIMBOLOGIA Ap área útil de pavimento (m 2 ) Aenv área de envidraçados (m 2 ) Apav área de pavimento (m 2 ) custo acumulado da solução original no ano n atualizado ao ano ( ) custo acumulado da solução de reabilitação no ano n atualizado ao ano ( ) custo de exploração e manutenção da solução original no ano ( ) custo de exploração e manutenção da solução de reabilitação no ano ( ) custo do investimento na solução de reabilitação ou melhoria no ano 1 ( ) custo do investimento na solução de reabilitação ou melhoria no ano 16 ( ) Eren contribuição de quaisquer outras formas de energia renovável ou quaisquer formas de recuperação de calor de equipamentos ou de fluidos residuais (kwh.ano) Esolar contribuição de sistemas de coletores solares para o aquecimento de AQS (kwh.ano) FF fator de forma Fpui fator de conversão de energia útil em energia primária para o equipamento de climatização para aquecimento (kgep/kwh) Fpuv fator de conversão de energia útil em energia primária para o equipamento de climatização para arrefecimento (kgep/kwh) Fpua fator de conversão de energia útil em energia primária para o equipamento de produção de AQS (kgep/kwh) GD graus-dias de aquecimento (base 2ºC) (ºC.dias) M AQS consumo médio diário de referência de AQS (l) Na valor limite para as necessidades nominais de energia útil para produção de águas quentes sanitárias (kwh/m 2.ano); Nac necessidades nominais de energia útil para produção de águas quentes sanitárias (kwh/m 2.ano); Ni valor limite para as necessidades nominais de energia útil de aquecimento (kwh/m 2.ano); Nic necessidades nominais de energia útil de aquecimento (kwh/m 2.ano); Nt valor limite para as necessidades globais nominais de energia primária (kgep/m 2.ano); Ntc necessidades globais nominais de energia primária (kgep/m 2.ano) Nv valor limite para as necessidades nominais de energia útil de arrefecimento (kwh/m 2.ano); Nvc necessidades nominais de energia útil de arrefecimento (kwh/m 2.ano); Qa energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS (kwh.ano) Qg ganhos totais úteis (kwh.ano) Qgu ganhos de calor úteis (kwh.ano) Qt perdas de calor por condução através da envolvente (kwh.ano) Qv perdas de calor por renovação de ar (kwh.ano) U coeficiente de transmissão térmica (W/m 2.ºC); valor atualizado líquido no ano n ( ) viii

11 e med espessura média nd número anual de dias de consumo de AQS (dia) t i taxa de inflação (%) t a taxa de atualização ou de desconto (%) fator de utilização dos ganhos térmicos eficiência nominal do equipamento de climatização para aquecimento eficiência nominal do equipamento de climatização para arrefecimento ix

12 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Árvore paramétrica introduzida no jeplus... 1 Figura 2 Temperatura exterior média mensal considerada nos ficheiros climáticos do EnergyPlus Figura 3 Radiação solar média Figura 4 Configuração geométrica das relações A/B estudadas Figura 5 Configuração geométrica das relações A/B conjugadas com a orientação Figura 6 Representação em planta da cobertura inclinada para as várias relações A/B Figura 7 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de paredes em Faro Figura 8 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de paredes em Bragança Figura 9 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura plana em Faro Figura 1 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura plana em Bragança Figura 11 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura inclinada em Faro Figura 12 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura inclinada em Bragança... 2 Figura 13 Caraterísticas de materiais... 3 Figura 14 Características das soluções construtivas Figura 15 Detalhe das superfícies do edifício Figura 16 Regras globais de geometria Figura 17 RCCTE vs. EnergyPlus Figura 18 VAL médio das melhorias em paredes para todas as tipologias por característica paramétrica Figura 19 VAL médio das melhorias em coberturas para todas as tipologias por característica paramétrica Figura 2 VAL médio das melhorias em caixilharia para todas as tipologias por característica paramétrica Figura 21 VAL médio da melhoria em proteção solar para todas as tipologias por característica paramétrica Figura 22 VAL médio das melhorias na envolvente para todas as tipologias por característica paramétrica Figura 23 VAL da melhoria média de equipamentos por característica paramétrica, localização e perfil de utilização... 4 Figura 24 Faro VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 25 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 26 Faro VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 27 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização x

13 Figura 28 Faro VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 29 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 3 Faro VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 31 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 32 Faro VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 33 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 34 Faro VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 35 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 36 Faro VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 37 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 38 Faro VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 39 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 4 Faro VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 41 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 42 Faro VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 43 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 44 Faro VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 45 Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 46 Faro VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 47 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização xi

14 Figura 48 Faro VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 49 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 5 VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 51 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 52 Faro VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 53 Faro Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 54 Bragança VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 55 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 56 Bragança VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 57 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 58 Bragança VAL médio de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 59 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em paredes e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 6 Bragança VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 61 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 62 Bragança VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 63 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 64 Bragança VAL médio de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 65 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em coberturas e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 66 Bragança VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 67 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização xii

15 Figura 68 Bragança VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 69 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 7 Bragança VAL médio de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 71 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em caixilharias e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 72 Bragança VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 73 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 74 Bragança VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 75 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 76 Bragança VAL médio de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 77 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias em proteção solar exterior e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 78 Bragança VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 79 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 8 Bragança VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 81 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 82 Bragança VAL médio de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 83 Bragança Período de retorno médio de investimento de melhorias na envolvente e equipamentos por tipologia e para o perfil de utilização Figura 84 VAL médio das soluções de melhoria para os diferentes perfis de utilização Figura 85 Período de retorno médio das soluções de melhoria para os diferentes perfis de utilização Figura 86 VAL de melhorias de equipamentos para solução original com termoacumulador 77 Figura 87 Período de retorno para solução original com termoacumulador Figura 88 VAL de melhorias de equipamentos para solução original com esquentador a gás natural Figura 89 Período de retorno para solução original com esquentador a gás natural xiii

16 Figura 9 VAL de melhorias de equipamentos para solução original com esquentador a gás butano Figura 91 Período de retorno para solução original com esquentador a gás butano... 8 Figura 92 VAL de melhorias de equipamentos para solução original com caldeira a gás natural... 8 xiv

17 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 Cálculo do índice Ni... 5 Tabela 2 Determinação do índice Nv... 6 Tabela 3 Escala da classificação energética... 7 Tabela 4 - Casos de estudo... 1 Tabela 5 Dados climáticos de referência de Faro e Bragança Tabela 6 Área de pavimento por tipologia Tabela 7 Resumo de coeficientes de transmissão térmica considerados na cobertura Tabela 8 Potência térmica máxima produzida pelos equipamentos de climatização Tabela 9 Hipóteses de melhoria de equipamentos de AQS por equipamento existente Tabela 1 Número de ocupantes por tipologia Tabela 11 Custo de instalação e manutenção dos equipamentos de climatização por tipologia Tabela 12 Custos de melhoria da envolvente para a habitação localizada em Faro Tabela 13 Custos de melhoria da envolvente para a habitação localizada em Bragança Tabela 14 Custo de instalação e manutenção dos equipamentos de AQS por tipologia Tabela 15 Custo da energia e encargos anuais por consumo ou potência por fonte energética xv

18 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO Com a introdução do sistema de certificação energética e da qualidade do ar interior dos edifícios, os proprietários passaram a ter em sua posse um documento que não só caracteriza a eficiência energética do seu imóvel, como também apresenta algumas medidas possíveis para melhorar o desempenho energético do mesmo. De um modo geral, essas medidas consistem na instalação de equipamentos de elevada eficiência para climatização e para produção de águas quentes sanitárias, em detrimento da melhoria da qualidade térmica da envolvente, uma vez que os primeiros conduzem de um modo geral a períodos de retorno do investimento mais curtos. Considerando que em termos médios o conjunto de edifícios representa cerca de 4 % do consumo global de energia (Direcção Geral de Energia - Ministério da Economia, 22), fica patente a necessidade de promover a eficiência energética dos mesmos. Dado que o RCCTE considera o uso de climatização permanente para manter constante a temperatura interior durante as estações de aquecimento e arrefecimento, cenário pouco comum em Portugal face às nossas condições socioeconómicas e ao usual período de ocupação dos edifícios de habitação, é possível que este tipo de análise distorça a importância e o período de retorno das diversas soluções de melhoria de desempenho energético, encaminhando desta forma os proprietários para investimentos que poderão não ser os mais adequados. Apesar de Portugal ter um clima moderado, de acordo com o artigo publicado no Diário de Notícias em 4 de Março de 212, Portugal é o país da Europa com mais mortes devido ao frio. Este aumento de mortalidade está diretamente ligado à dificuldade em manter as casas quentes no Inverno, quer seja devido a uma má eficiência térmica da habitação ou à falta de capacidade económica para proceder à climatização ou à melhoria das características térmicas da envolvente das habitações, o que reforça a ideia de que não é habitual uma utilização permanente dos equipamentos de climatização durante as estações de aquecimento e arrefecimento. Afonso (21) executa um estudo paramétrico para avaliar o impacto de vários parâmetros que caraterizam as habitações na relação entre as necessidades nominais de energia útil para aquecimento, arrefecimento, produção de AQS e globais com os respetivos valores limites 1

19 previstos pelo RCCTE. Nesta dissertação proceder-se-á ao cálculo do VAL e do período de retorno considerando parâmetros similares. Por sua vez, de Brito (21), avaliou na sua dissertação para obtenção do grau de mestre o período de retorno de várias soluções de melhoria considerando climatização permanente conforme preconizado pelo RCCTE, tendo concluído que melhorias nos sistemas de AQS e de climatização resultam em prazos curtos para retorno do investimento e melhorias na envolvente resultam em tempos de retorno muito dilatados. A presente dissertação funde as ideias subjacentes às dissertações indicadas e expande-as para uma análise que considera a possibilidade de a climatização não funcionar em permanência mas apenas em certos períodos do dia, segundo perfis de utilização que serão definidos, permitindo desta forma determinar o período de retorno de investimento com base nos mesmos. 1.2 OBJETIVOS E METODOLOGIA Pretende-se com esta dissertação definir alternativas de perfis de utilização de equipamentos de modo a proceder a uma análise comparativa de investimentos em equipamentos e envolvente, considerando a utilização dos equipamentos de acordo com o perfil de utilização preconizado pelo RCCTE e de acordo com perfis de utilização mais representativos da realidade, através de um estudo paramétrico que avaliará o impacto de várias sugestões de melhoria em função de várias características de uma moradia unifamiliar. Assim, recorreu-se ao programa EnergyPlus para determinar as necessidades de energia para climatização considerando cada perfil de utilização, utilizando ainda o programa jeplus para fazer variar os diversos parâmetros, correr cada caso no EnergyPlus e recolher os resultados dos casos considerados. No que se refere a AQS recorreu-se a uma folha de cálculo para determinar as necessidades de energia e os consumos de energia dos equipamentos de produção de AQS. Por fim, definiram-se os custos das soluções de melhoria e os custos de exploração e de manutenção e, utilizando uma folha de cálculo, determinou-se o período de retorno e o valor atualizado líquido das soluções de melhoria preconizadas. 1.3 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO Na presente dissertação definiu-se a seguinte organização: Capítulo 2 descreve-se a origem e ideias gerais do SCE e do RCCTE bem como a análise económica a levar a cabo na dissertação; 2

20 Capítulo 3 caracteriza-se o estudo realizado, apresentando-se os parâmetros tidos em consideração no mesmo, o custo das propostas de melhoria e o custo da energia; Capítulo 4 apresenta-se as ferramentas informáticas utilizadas para contabilização das necessidades energéticas e realização do estudo paramétrico; Capítulo 5 este capítulo é dedicado à apresentação e análise da relação entre a melhoria da envolvente e as características do edifício e da relação entre a melhoria dos equipamentos de climatização e as características do edifício; Capítulo 6 neste capítulo compara-se a rentabilidade das hipóteses de melhoria na envolvente face a melhorias nos equipamentos de climatização; Capítulo 7 apresenta-se a rentabilidade de várias hipóteses de melhoria do sistema de AQS; Capítulo 8 apresenta-se as conclusões gerais da dissertação e perspetivas de desenvolvimentos futuros tendo por base os resultados da presente dissertação. 3

21 2 SISTEMA DE CERTIFICAÇÃO ENERGÉTICA O DL n.º 78/26 surge devido à Diretiva n.º 22/91/CE que estabelece a obrigatoriedade dos Estados membros da União Europeia implementarem um sistema de certificação energética. Esse sistema permitirá que o cidadão seja informado sobre a qualidade térmica dos edifícios e fornecerá sugestões sobre medidas de melhoria de desempenho que podem ser implementadas para reduzir as despesas energéticas e, simultaneamente, melhorar a eficiência energética do edifício. O SCE tem então como finalidade aplicar as exigências e disposições contidas no RCCTE e no RSECE, certificar o desempenho energético e a qualidade do ar interior nos edifícios e identificar medidas corretivas ou de melhoria de desempenho aplicáveis aos edifícios e aos seus sistemas energéticos. A supervisão do SCE ficou a cargo da Direção-Geral de Geologia e Energia no que respeita à certificação e eficiência energética e do Instituto do Ambiente no que respeita à qualidade do ar interior. Já a gestão do SCE compete à ADENE, sendo responsável por assegurar o funcionamento regular do SCE, aprovar o modelo dos certificados de desempenho energético e da qualidade do ar interior nos edifícios, criar e manter atualizada na internet uma bolsa de peritos qualificados e disponibilizar online aos peritos toda a informação referente aos processos que acompanham. 2.1 REGULAMENTO DAS CARACTERÍSTICAS DE COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS Segundo o RCCTE (DL n.º 8/26), é consensual no contexto internacional a necessidade de melhorar a qualidade dos edifícios e de reduzir os seus consumos de energia, reduzindo assim as correspondentes emissões de gases que contribuem para o aquecimento global ou efeito de estufa. Dado que Portugal subscreveu o Protocolo de Quioto obrigou-se a reduzir a emissão dos mesmos. Por outro lado, a União Europeia publicou em 4 de Janeiro de 23 a Diretiva n.º 22/91/CE, onde impõe aos estados membros o estabelecimento e atualização periódica de regulamentos para melhorar o comportamento térmico dos edifícios novos e reabilitados, exigindo a implementação de todas as medidas pertinentes com viabilidade técnica e económica. Estas condições abriram caminho à obrigatoriedade da instalação de painéis solares para a produção de AQS, pelo que será analisado nesta dissertação a viabilidade económica da instalação dos mesmos. A aplicação do RCCTE consiste na determinação de oito índices que são comparados dois a dois de modo a verificar se os edifícios cumprem os requisitos mínimos impostos pelo mesmo. Esses índices representam as necessidades nominais e o valor limite das necessidades 4

22 nominais sendo que se em algum dos pares as necessidades nominais excederem o valor limite então não estão verificados os requisitos mínimos impostos pelo RCCTE. Para a estação de aquecimento determina-se o valor das necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento (Nic) e o valor máximo das necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento (Ni), ambos calculados por unidade de área útil de pavimento (Ap). Nic é determinado por: (2.1) À parcela Qt corresponde as perdas de calor pela envolvente, à parcela Qv corresponde as perdas de calor devido à ventilação e à parcela Qgu corresponde os ganhos úteis de calor. A Tabela 1 apresenta a forma de determinar o índice Ni, sendo que a GD corresponde os graus-dias do concelho em que se localiza o edifício e a FF corresponde o fator de forma do edifício ou fração autónoma. Tabela 1 Cálculo do índice Ni FF Ni (kwh/m 2.ano) FF <.5 Ni = GD.5 < FF < 1. Ni = ( FF) GD (1.2.2 FF) 1. < FF < 1.5 Ni = [4.5 + ( FF) GD] FF > 1.5 Ni = GD Para a estação de arrefecimento determina-se o valor das necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento (Nvc) e o valor máximo das necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento (Nv). (2.2) A parcela Qg representa os ganhos totais brutos, obtidos pela soma das cargas térmicas obtidas pela envolvente, pela entrada de radiação solar pelos envidraçados, pela renovação do ar e pelas cargas interna, sendo que representa o fator de utilização dos ganhos térmicos. A Tabela 2 apresenta os valores máximos admissíveis do índice Nv. 5

23 Tabela 2 Determinação do índice Nv Zona Climática Nv (kwh/m 2.ano) V1 (N) 16 V1 (S) 22 V2 (N) 18 V2 (S) 32 V3 (N) 26 V3 (S) 32 Açores 21 Madeira 23 Quanto às águas quentes sanitárias determina-se se o valor das necessidades nominais anuais de energia útil para produção de AQS (Nac) e o valor máximo das necessidades nominais anuais de energia útil para produção de AQS (Na). ( ) (2.3) Qa representa a energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS, a eficiência de conversão desses sistemas, Esolar a contribuição de sistemas de coletores solares para o aquecimento de AQS e Eren a contribuição de quaisquer outras formas de energia renovável ou quaisquer formas de recuperação de calor de equipamentos ou de fluidos residuais. O limite máximo para preparação de AQS (Na) é dado por: (2.4) Onde M AQS representa o consumo médio diário de referência e nd o número anual de dias de consumo de AQS. Por fim, e em termos globais, determina-se o valor das necessidades globais nominais anuais de energia primária (Ntc) e o valor máximo das necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento (Nt). ( ) ( ) (2.5) Os fatores e representam, respetivamente, as eficiências nominais dos equipamentos de climatização para aquecimento e para arrefecimento. Fpui e Fpuv representam os fatores de conversão de energia útil em energia primária para os equipamentos de climatização para aquecimento e para arrefecimento respetivamente e Fpua representa o fator de conversão de energia útil em energia primária para os equipamentos de produção de AQS. 6

24 (2.6) Nesta dissertação utilizar-se-á o EnergyPlus para obter os valores conceptualmente correspondentes ao Nic e Nvc, para além de duas variantes considerando períodos de utilização da climatização reduzidos conforme será explicado em detalhe mais à frente. No que concerne à análise de melhoria dos equipamentos de AQS utilizou-se uma folha de cálculo, tendo-se considerado Eren nulo em todas as hipóteses e, nos casos em que existem coletores solares, considerou-se que 75% das necessidades de energia útil para AQS é assegurada pelos mesmos. 2.2 CERTIFICAÇÃO ENERGÉTICA O certificado energético (CE) de um edifício ou fração classifica-os de acordo com o seu desempenho energético, segundo classes determinadas através da relação R=Ntc/Nt, conforme apresentado na Tabela 3. Tabela 3 Escala da classificação energética Classe energética R = Ntc/Nt A+ R.25 A.25 < R.5 B.5 < R.75 B-.75< R 1. C 1. < R 1.5 D 1.5 < R 2. E 2. < R 2.5 F 2.5 < R 3. G 3. < R Os edifícios existentes poderão ser classificados em qualquer classe energética. Já os edifícios novos só podem pertencer às classes A+, A, B e B-. À classe A+ corresponde um edifício com melhor desempenho energético e à classe G corresponde um edifício com pior desempenho energético. No CE deverão ainda constar informações sobre as medidas de melhoria de desempenho energético e da qualidade do ar interior que o proprietário poderá, se assim o entender, implementar. A acompanhar essas medidas deverá constar uma previsão sobre qual a classe energética alcançada caso as melhorias sejam implementadas, bem como uma previsão dos custos de implementação e da poupança esperada em energia. 7

25 2.3 ANÁLISE ECONÓMICA Os investimentos em novos equipamentos e na envolvente dos edifícios deverão ser precedidos por uma avaliação económica que determine o período de retorno do investimento e/ou o valor atualizado líquido ao fim de um período pré determinado como medida da rentabilidade do investimento. A análise económica levada a cabo no âmbito do SCE conduz a períodos de retorno demasiadamente otimistas dado que, por um lado na sua análise não é considerado o custo do dinheiro utilizado para proceder às melhorias e, por outro, considera que os equipamentos de climatização funcionam ininterruptamente. Para proceder a uma avaliação económica mais rigorosa definiram-se então os seguintes fatores: a taxa de atualização ou de desconto (, a taxa de inflação ( e perfis de utilização de equipamentos de climatização. A taxa de atualização representa o custo do dinheiro e, para o presente estudo definiu-se como sendo de 6%. A taxa de inflação representa a estimativa de evolução do preço de aquisição da energia, tendo sido definida uma taxa de 4%. Os perfis de utilização dos equipamentos de climatização representam cenários de utilização dos equipamentos mais realistas. Tendo por base (Freitas, Guimarães, Ferreira, & Alves, 211, pp. 71, 72), a maior eficiência energética dos edifícios implica menores gastos por parte dos consumidores na fatura energética anual. No entanto só existe um benefício económico efetivo a partir do momento em que o custo do investimento inicial, na melhoria das características térmicas da envolvente e/ou na alteração dos equipamentos de A.Q.S. e/ou de climatização, adicionado do custo de exploração e manutenção, é ultrapassado pelo custo de exploração e manutenção que seria despendido sem aplicação das medidas de melhoria. O período de retorno corresponderá portanto ao ano n em que o custo acumulado da solução reabilitada é ultrapassado pelo custo acumulado da solução original. O custo acumulado no ano n atualizado ao ano para a solução original é dado pela seguinte expressão: (2.7) O custo acumulado no ano n atualizado ao ano para a solução de reabilitação é dado pelas seguintes expressões: se n 15: (2.8) 8

26 se n 16: (2.9) Na avaliação económica dos equipamentos de produção de AQS considerou-se um prazo de avaliação económica de 15 anos, uma vez que se prevê que os mesmos não durarão mais anos. Já na avaliação económica das melhorias aplicáveis na envolvente e dos equipamentos de climatização considerou-se um prazo de avaliação económica de 3 anos devido à maior durabilidade da envolvente, tendo-se no entanto considerado que no ano 16 se procede à substituição dos equipamentos de climatização. Assim, o valor atualizado líquido (VAL) foi calculado, consoante os casos acima indicados, para 15 e para 3 anos de acordo com a seguinte expressão: (2.1) Para que o investimento seja rentável VAL terá de ser maior ou igual a zero, sendo que quanto maior for o seu valor, maior será a rentabilidade da solução. 9

27 3 PARÂMETROS DO ESTUDO Para elaboração do estudo paramétrico considerou-se uma grande variedade de características possíveis numa moradia unifamiliar sem cave, que irão ser desenvolvidas em detalhe mais à frente, e cujo resumo apresenta-se na tabela seguinte: Tabela 4 - Casos de estudo Característica N.º de alternativas Localização 2 Área de Pavimento 5 Relação A/B 3 Orientação 3 Relação Aenv/Apav 4 N.º de pisos 2 Tipo de cobertura 2 Proteção solar exterior 2 Caixilharia 3 Paredes 3 Cobertura 3 Climatização 3 Total de casos Na Figura 1 apresenta-se a árvore paramétrica introduzida no jeplus, programa utilizado para gerar todas as combinações possíveis, proceder ao seu cálculo utilizando o EnergyPlus e agregar os resultados obtidos. O caso concreto pertence à avaliação paramétrica da estação de aquecimento da habitação localizada em Bragança, onde se pode visualizar todos os parâmetros considerados no estudo. No tronco principal temos os parâmetros independentes e nas ramificações as situações em que temos condições se-então. Figura 1 Árvore paramétrica introduzida no jeplus 1

28 3.1 LOCALIZAÇÃO Para efeitos do estudo paramétrico consideraram-se duas possíveis localizações com características climatéricas muito diferentes, principalmente no que diz respeito à estação de aquecimento. Dado que não existe uma variedade muito grande de ficheiros climáticos disponíveis para Portugal para utilizar com o EnergyPlus a escolha recaiu sobre os concelhos de Faro e de Bragança, o primeiro para representar um clima mais ameno e o segundo para representar um clima mais severo. Na Tabela 5 apresentam-se os dados climáticos de referência providenciados pelo RCCTE para os concelhos adotados. Tabela 5 Dados climáticos de referência de Faro e Bragança Concelho Zona climática de Inverno N.º de grausdias (GD) (ºC.dias) Duração da estação de aquecimento (meses) Zona climática de Verão Temperatura externa de projeto (ºC) Amplitude térmica (ºC) Faro I V Bragança I V Tomando em consideração que a estação convencional de aquecimento é o período do ano com início no primeiro decêndio posterior a 1 de Outubro em que, para cada localidade, a temperatura média diária é inferior a 15 C e com termo no último decêndio anterior a 31 de Maio em que a referida temperatura ainda é inferior a 15 C e que o número de graus-dias de aquecimento é um número que caracteriza a severidade de um clima durante a estação de aquecimento e que é igual ao somatório das diferenças positivas registadas entre uma dada temperatura de base (2 C) e a temperatura do ar exterior durante a estação de aquecimento, procedeu-se ao cálculo destes dados com base no ficheiro climático para o EnergyPlus para verificar se se assemelham ao preconizado pelo RCCTE. Obteve-se em Faro 195 GD, valor similar ao do RCCTE, e uma duração da estação de aquecimento de 5.8 meses, valor 35% superior ao previsto pelo RCCTE. Já para Bragança obteve-se 274 GD, valor 5% inferior ao previsto pelo RCCTE e uma duração da estação de aquecimento de 8.1 meses, valor idêntico ao indicado pelo RCCTE. Na Figura 2 apresentam-se as temperaturas exteriores médias mensais consideradas nos ficheiros climáticos que foram utilizados no EnergyPlus. Na Figura 3 tem-se a radiação solar média prevista nos ficheiros climáticos utilizados pelo EnergyPlus. 11

29 ºC 3, 25, 2, 15, 1, Faro Bragança 5,, Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Figura 2 Temperatura exterior média mensal considerada nos ficheiros climáticos do EnergyPlus kw.h/m Faro Bragança 5 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Mês Figura 3 Radiação solar média 3.2 TIPOLOGIA O presente estudo considera 5 possíveis tipologias que correspondem a determinadas áreas de pavimento, distribuídas por 1 ou 2 pisos, conforme a tabela seguinte: Tabela 6 Área de pavimento por tipologia T1 T2 T3 T4 T5 Área de pavimento (m 2 )

30 3.3 RELAÇÃO A/B O estudo paramétrico foi realizado considerando 3 relações possíveis de A/B, representadas na figura abaixo, tomando o valor de 1 (a vermelho), 2 (a azul) e 3 (a verde). Figura 4 Configuração geométrica das relações A/B estudadas 3.4 ORIENTAÇÃO Considerou-se que a orientação poderia tomar o valor de º, 45º e 9º em relação a Norte. A figura abaixo mostra as configurações possíveis face à conjugação do parâmetro orientação com o parâmetro relação A/B. Figura 5 Configuração geométrica das relações A/B conjugadas com a orientação 13

31 3.5 RELAÇÃO AENV/APAV Na realização do estudo considerou-se que a área de envidraçados encontra-se distribuída uniformemente pelas quatro faces que compõem a habitação e que a sua área total corresponde a uma fração da área de pavimento. Considerou-se como hipóteses que Aenv/Apav pode tomar os seguintes valores:.1,.15,.2 e N.º DE PISOS Neste parâmetro leva-se em conta se a área de pavimento é distribuída por um ou por dois pisos, sendo que no caso de ser distribuída por dois pisos a área de cada um corresponderá a metade da área total. 3.7 TIPO DE COBERTURA A cobertura da moradia unifamiliar poderá tomar duas configurações alternativas, plana ou inclinada. No caso em que a cobertura é inclinada considerou-se uma inclinação da mesma de 3% e a inexistência de laje de esteira. Conforme representado na Figura 6 definiram-se as coberturas inclinadas como tendo duas águas em moldes destas ficarem com o menor comprimento possível. Pelo facto de se ter considerado uma cobertura com telha cerâmica a inclinação preconizada garante o valor mínimo indicado pelos fabricantes para situação de exposição normal em ambas as localizações estudadas. Figura 6 Representação em planta da cobertura inclinada para as várias relações A/B 3.8 PROTEÇÃO SOLAR EXTERIOR No que respeita à proteção solar exterior os parâmetros considerados foram a inexistência da mesma ou a utilização de persiana de réguas metálicas de cor clara. Interiormente considerouse o mínimo exigido pelo RCCTE, nomeadamente cortinas interiores muito transparentes de cor clara e, quando não existe persiana, cortina interior opaca. 14

32 3.9 CAIXILHARIA Quanto à caixilharia foi considerada como solução base uma caixilharia simples de correr, sem corte térmico e com vidro simples, caracterizada por um coeficiente de transmissão térmico médio dia-noite de 5.2 W/(m 2.ºC), na circunstância em que não tem proteção solar exterior e possui uma cortina interior opaca, e por um U wdn de 4.1 W/(m 2.ºC), quando está associado à utilização de persianas de réguas metálicas de cor clara. Esta solução base implica ainda um fator solar na estação de arrefecimento de.49 e de.3, sem e com proteção solar exterior respetivamente, e um fator solar na estação de aquecimento de.7, tanto sem como com proteção solar exterior. Foram ainda consideradas duas soluções de melhoria da caixilharia. A primeira caracteriza-se por caixilharia simples de correr, sem corte térmico e com vidro duplo com 6 mm de lâmina de ar, com um coeficiente de transmissão térmico médio dia-noite de 3.9 W/(m 2.ºC), na circunstância em que não tem proteção solar exterior e possui uma cortina interior opaca, e por um U wdn de 3.1 W/(m 2.ºC), quando está associado à utilização de persianas de réguas metálicas de cor clara. Esta solução base implica ainda um fator solar na estação de arrefecimento de.49 e de.26, sem e com proteção solar exterior respetivamente, e um fator solar na estação de aquecimento de.63, tanto sem como com proteção solar exterior. A segunda solução de melhoria caracteriza-se por caixilharia simples de batente, com corte térmico e com vidro duplo com 16 mm de lâmina de ar, com um coeficiente de transmissão térmico médio dia-noite de 2.1 W/(m 2.ºC), na circunstância em que não tem proteção solar exterior e possui uma cortina interior opaca, e por um U wdn de 1.8 W/(m 2.ºC), quando está associado à utilização de persianas de réguas metálicas de cor clara. Esta solução base implica ainda um fator solar na estação de arrefecimento de.28 e de.16, sem e com proteção solar exterior respetivamente, e um fator solar na estação de aquecimento de.37, tanto sem como com proteção solar exterior. 3.1 PAREDES Para Faro, a solução base de paredes consiste numa parede simples de tijolo 3x2x15 revestido interiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e exteriormente por uma camada de reboco com 2 mm de espessura, correspondendo a um coeficiente de transmissão térmica de 1.64 W/m 2 ºC. Para realização do estudo tomou-se como hipótese duas soluções de melhoria. A primeira consiste na aplicação de um sistema ETICS (External Thermal Insulation Composite System Sistema de Isolamento Térmico pelo exterior) com uma espessura de EPS 6 (Expanded Polystyrene poliestireno expandido) de 3 mm, resultando num coeficiente de transmissão térmica de.74 W/m 2 ºC. A segunda consiste numa solução similar à primeira mas com uma espessura de EPS 6 de 8 mm, resultando num 15

33 coeficiente de transmissão térmica de.38 W/m 2 ºC. As diferentes soluções apresentam-se na Figura 7. 1 Reboco (2 mm) 2 Tijolo 3x2x15 3 Estuque (15mm) 4 ETICS (3 mm EPS 6) 5 ETICS (8 mm EPS 6) Figura 7 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de paredes em Faro Para Bragança, a solução base de paredes consiste numa parede simples de tijolo 3x2x22 revestido interiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e exteriormente por uma camada de reboco com 2 mm de espessura, caracterizando-se por um coeficiente de transmissão térmica de 1.35 W/m 2 ºC. Para realização do estudo tomou-se como hipótese duas soluções de melhoria. A primeira consiste na aplicação de um sistema ETICS com uma espessura de EPS 6 (Expanded Polystyrene foam poliestireno expandido) de 5 mm, resultando num coeficiente de transmissão térmica de.5 W/m 2 ºC. A segunda consiste numa intervenção pelo interior, com a consequente perda de área útil, e é composta por uma caixa de ar de 25 mm, 1 mm de XPS (Extruded Polystyrene foam poliestireno extrudido), novo pano de tijolo 3x2x11 e camada de estuque com 15 mm de espessura, obtendo-se um coeficiente de transmissão térmica de.25 W/m 2 ºC. A Figura 8 apresenta as soluções consideradas. As soluções de melhoria adotadas foram escolhidas de modo a que o coeficiente de transmissão térmica da primeira solução de melhoria seja similar ao valor de referência (.7 W/m 2 ºC para Faro por se encontrar na zona climática I 1 e.5 W/m 2 ºC para Bragança por se encontrar na zona climática I 3 ) e que o da segunda solução de melhoria seja cerca de metade do valor de referência. 16

34 1 Reboco (2 mm) 2 Tijolo 3x2x22 3 Estuque (15mm) 4 ETICS (5 mm EPS 6) 5 XPS (1 mm) 6 Caixa de ar (25 mm) 7 Tijolo 3x2x11 Figura 8 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de paredes em Bragança 3.11 COBERTURA No que diz respeito à cobertura considerou-se para cada localização a hipótese da cobertura ser plana ou inclinada, sendo que para cada uma destas analisaram-se duas propostas de melhoria. Em Faro a solução base da cobertura plana consiste numa laje aligeirada de 15 cm de espessura com blocos cerâmicos, revestida inferiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e superiormente por uma camada de forma com uma espessura média de 1 cm, impermeabilização e proteção da impermeabilização com uma camada de 5 cm de seixo, resultando em U = 1.3 W/m 2 ºC, valor aproximado ao máximo admissível pelo RCCTE para zona climática I1. Uma das hipóteses de melhoria consiste na colocação de 7 mm de XPS entre a impermeabilização e a camada de seixo, obtendo-se um U =.5 W/m 2 ºC. A outra hipótese de melhoria é semelhante à anterior mas com 18 mm de XPS, resultando em U =.26 W/m 2 ºC. Os coeficientes de transmissão térmica apresentados têm em consideração, na estação de aquecimento, uma redução do seu valor de modo a considerar o escoamento da água da chuva sobre as placas de isolamento térmico (ITE5). Para a estação de arrefecimento foram considerados os seguintes coeficientes de transmissão térmica respetivamente: 1.1,.36 e.17 W/m 2 ºC. Estas soluções encontram-se representadas na Figura 9. 17

35 1 Estuque (15 mm) 2 Laje aligeirada (15 cm) 3 Camada forma (e med = 1cm) 4 Impermeabilização 5 Seixo (5 cm) 6 XPS (7 mm) 7 XPS (18 mm) Figura 9 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura plana em Faro Ainda em Faro mas para a hipótese de cobertura inclinada sem laje de esteira considerou-se que consiste numa laje aligeirada de 15 cm de espessura com blocos cerâmicos, revestida inferiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e superiormente por telha cerâmica, considerando-se ainda que entre a telha e a laje existe um espaço de ar fortemente ventilado. Esta solução apresenta um U = 2.8 W/m 2 ºC. Como uma das hipóteses de melhoria determinou-se a colocação na face inferior de 6 mm de XPS e um revestimento em gesso cartonado, resultando em U =.49 W/m 2 ºC. A outra hipótese tomou-se como idêntica à anterior mas com 14 mm de XPS, caracterizando-se por um U =.24 W/m 2 ºC. No caso da cobertura inclinada foram considerados os mesmos coeficientes de transmissão térmica para as estações de aquecimento e arrefecimento uma vez que o EnergyPlus não permite a distinção em termos de dados de entrada de características para fluxos ascendentes e descendentes conforme previsto no RCCTE, dado que este utiliza na estação de aquecimento ambos os fluxos. Assim introduziu-se no RCCTE as características face às soluções adotadas sem consideração do sentido do fluxo. A Figura 11 representa as soluções preconizadas. Para Bragança utilizaram-se os mesmos pressupostos apresentados para Faro. A solução base da cobertura plana consiste numa laje aligeirada de 35 cm de espessura com blocos cerâmicos, revestida inferiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e superiormente por uma camada de forma com uma espessura média de 1 cm, impermeabilização e proteção da impermeabilização com uma camada de 5 cm de seixo, resultando em U = 1. W/m 2 ºC, valor aproximado ao máximo admissível pelo RCCTE para zona climática I3. Uma das hipóteses de melhoria consiste na colocação de 8 mm de XPS entre a impermeabilização e a camada de seixo, obtendo-se um U =.42 W/m 2 ºC. A outra hipótese de melhoria é semelhante à anterior mas com 2 mm de XPS, resultando em U =.22 W/m 2 ºC. Os coeficientes de transmissão térmica apresentados têm em consideração, 18

36 na estação de aquecimento, uma redução do seu valor de modo a considerar o escoamento da água da chuva sobre as placas de isolamento térmico (ITE5). Para a estação de arrefecimento foram considerados os seguintes coeficientes de transmissão térmica respetivamente:.86,.3 e.15 W/m 2 ºC. As soluções apresentadas representam-se na Figura 1. 1 Estuque (15 mm) 2 Laje aligeirada (15 cm) 3 Espaço fortemente ventilado 4 Telha 5 XPS (6 mm) 6 Gesso cartonado 7 XPS (14 mm) Figura 11 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura inclinada em Faro 1 Estuque (15 mm) 2 Laje aligeirada (35 cm) 3 Camada forma (e med = 1cm) 4 Impermeabilização 5 Seixo (5 cm) 6 XPS (8 mm) 7 XPS (2 mm) Figura 1 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura plana em Bragança Ainda para Bragança, mas para a hipótese de cobertura inclinada sem laje de esteira, considerou-se que consiste numa laje aligeirada de 35 cm de espessura com blocos 19

37 cerâmicos, revestida inferiormente por uma camada de estuque com 15 mm de espessura e superiormente por telha cerâmica, considerando-se ainda que entre a telha e a laje existe um espaço de ar fortemente ventilado. Esta solução apresenta um U = 1.7 W/m 2 ºC. Como uma das hipóteses de melhoria determinou-se a colocação na face inferior de 6 mm de XPS e um revestimento em gesso cartonado, resultando em U =.44 W/m 2 ºC. A outra hipótese tomou-se como idêntica à anterior mas com 16 mm de XPS, caracterizando-se por U =.2 W/m 2 ºC. Estas soluções encontram-se representadas na Figura Estuque (15 mm) 2 Laje aligeirada (35 cm) 3 Espaço fortemente ventilado 4 Telha 5 XPS (6 mm) 6 Gesso cartonado 7 XPS (16 mm) Figura 12 Solução base, melhoria 1 e melhoria 2 de cobertura inclinada em Bragança As soluções de melhoria adotadas foram escolhidas de modo a que o coeficiente de transmissão térmica da primeira solução de melhoria seja similar ao valor de referência (.5 W/m 2 ºC para Faro por se encontrar na zona climática I 1 e.4 W/m 2 ºC para Bragança por se encontrar na zona climática I 3 ) e que o da segunda solução de melhoria seja cerca de metade do valor de referência. Apresenta-se na Tabela 7 o resumo de todos os coeficientes de transmissão térmicos considerados na cobertura em função da localização, tipo de cobertura, solução construtiva e estação. 2

38 Tabela 7 Resumo de coeficientes de transmissão térmica considerados na cobertura Localização Faro Bragança Tipo de cobertura Plana Inclinada Plana Inclinada Solução U estação aquecimento ( W/m 2 ºC) U estação arrefecimento ( W/m 2 ºC) Base Melhoria Melhoria Base Melhoria Melhoria Base Melhoria Melhoria Base Melhoria Melhoria CLIMATIZAÇÃO Para realização da simulação consideraram-se em termos de climatização dois fatores: os perfis de utilização dos equipamentos de climatização e a potência térmica nominal gerável pelos mesmos. Os perfis de utilização visam aproximar a utilização dos equipamentos de climatização à realidade do país, dado que a grande maioria da população não climatiza em permanência as suas habitações conforme preconizado no RCCTE. A definição da potência térmica nominal gerável pelos equipamentos de climatização pretende dar realismo ao tempo que é necessário para alcançar as temperaturas de conforto nos perfis de utilização que não consideram a utilização contínua dos equipamentos. Caso não se considerasse esta limitação a temperatura de conforto seria atingida instantaneamente com a entrada em funcionamento dos equipamentos. Na Tabela 8 apresentam-se os valores considerados. Tabela 8 Potência térmica máxima produzida pelos equipamentos de climatização Potência de aquecimento (W) Potência de arrefecimento (W) T T T T T

39 Não se fez depender a potência térmica máxima produzida pelos equipamentos de climatização da localização uma vez que estas são soluções correntes de mercado e porque ao edifício em localização sujeita a um clima mais rigoroso encontram-se associadas melhores características térmicas da sua envolvente comparativamente à localização com clima mais ameno, quer seja nas soluções iniciais ou nas hipóteses de melhoria. Considerou-se ainda como equipamentos de climatização existentes resistências elétricas com uma eficiência de 1. para o sistema de aquecimento e máquinas frigoríficas com COP de 3. para o sistema de arrefecimento PERFIS DE UTILIZAÇÃO DE EQUIPAMENTOS DE CLIMATIZAÇÃO O RCCTE assenta numa utilização permanente dos sistemas de climatização de modo a garantir uma temperatura mínima de 2 C na estação de aquecimento e uma temperatura máxima de 25 C na estação de arrefecimento. Contudo, com o modo de vida da sociedade atual, é muito frequente os edifícios de habitação encontrarem-se desocupados durante grandes períodos do dia, o que, associado na generalidade a um baixo poder económico, conduz a que os sistemas de climatização dos edifícios de habitação não sejam utilizados continuamente mas somente pontualmente, com relevância para os períodos em que a habitação se encontra ocupada. Para realização do estudo consideraram-se com base na sensibilidade do autor os seguintes perfis de utilização para os equipamentos de climatização: Estação de Aquecimento: o perfil de utilização 1 6 h diárias: das 18 h às 24 h; o perfil de utilização 2 12 h diárias: das h à 1 h, das 6 h às 1 h e das 17 h às 24 h; o perfil de utilização 3 24 h diárias; Estação de Arrefecimento: o perfil de utilização 1 6 h diárias: das 17 h às 23 h; o perfil de utilização 2 12 h diárias: das 11 h às 23 h; o perfil de utilização 3 24 h diárias ÁGUAS QUENTES SANITÁRIAS No estudo das propostas de melhoria considerou-se quatro hipóteses possíveis para o equipamento já instalado: termoacumulador, esquentador a gás natural, esquentador a gás 22

40 butano e caldeira a gás natural. Na Tabela 9 apresentam-se as melhorias estudadas face ao equipamento instalado. Tabela 9 Hipóteses de melhoria de equipamentos de AQS por equipamento existente Hipóteses de melhoria Caldeira a gás natural Caldeira de condensação a gás natural Esquentador a gás natural mais eficiente Termoacumulador Equipamento existente Esquentador a gás natural Esquentador a gás butano Caldeira a gás natural X X X - X X X X X X X - Bomba de calor X X X X Caldeira a gás butano X - X - Esquentador a gás butano mais X - X - eficiente Coletores solares com apoio X X X X elétrico Coletores solares com apoio caldeira a gás X X X X natural Coletores solares com apoio bomba de calor X X X X De acordo com o preconizado pelo RCCTE definiu-se as seguintes eficiências para os equipamentos existentes: Termoacumulador elétrico com 5 mm de isolamento térmico.9; Esquentador a gás natural ou butano.5. No caso da caldeira mural sem acumulação alimentada por gás natural considerou-se a hipótese de ser um equipamento recente pelo que aplicou-se a eficiência definida pelo fabricante de.9. Esta opção permite analisar o caso em que o equipamento existente possui um melhor nível de eficiência e é alimentado por uma fonte energética de mais baixo custo. De referir ainda que no estudo económico considerou-se uma redução de.1 na eficiência de todos os equipamentos dado que se admitiu que as redes de distribuição de água quente não se encontram isoladas com pelo menos 1 mm de isolamento térmico. 23

41 Nas hipóteses de melhoria que contemplam a colocação de coletores solares, considerou-se que a fração solar é de 75%, entendendo-se como fração solar a parcela da energia útil necessária para AQS assegurada pelos mesmos. Considerou-se, portanto, que independentemente da localização, da orientação do edifício e do tipo de cobertura, haverá sempre possibilidade de instalar coletores solares capazes de garantir esta fração solar. Os fabricantes de coletores solares consideram um dimensionamento como equilibrado quando existe uma cobertura a 1% das necessidades energéticas para AQS nos meses de Maio a Agosto ou de 65% a 75% da média anual. Aumentando para lá dos 75% da média anual implica uma produção excessiva de água quente nos meses de Verão, criando problemas ao sistema, e implica uma redução significativa da relação custo/benefício. Não foram testadas as hipóteses que obriguem à mudança para uma fonte energética mais dispendiosa quando existam equipamentos com a mesma eficiência que possam utilizar a fonte energética mais económica. No que respeita aos equipamentos para produção de AQS, o RCCTE define as necessidades de produção em função do número de ocupantes, que por sua vez relaciona com a tipologia da habitação (Tabela 1). Dado que na realidade o número de ocupantes de uma habitação não depende efetivamente da tipologia da mesma, será apresentado nesta dissertação uma análise alternativa em função do número de ocupantes. Tabela 1 Número de ocupantes por tipologia T1 T2 T3 T4 T5 N.º de ocupantes Água a 6ºC (l/dia) CUSTO DAS PROPOSTAS DE MELHORIA Equipamentos de climatização Na Tabela 11 indicam-se os custos de instalação e manutenção das hipóteses consideradas para os equipamentos e climatização, bem como a eficiência dos mesmos. No caso da hipótese de aquecimento através de radiadores a água aquecida por caldeira mural considerou-se que é uma solução que só faz sentido se se considerar que a caldeira mural será utilizada também para a produção de AQS. Com base nessa hipótese considerou-se no custo de investimento inicial apenas o referente à rede de água e radiadores. 24

42 Tabela 11 Custo de instalação e manutenção dos equipamentos de climatização por tipologia Equipamento Radiadores a água aquecida por caldeira mural Ar condicionado tipo multi split Investimento inicial ( ) Manutenção anual ( ) COP EER T T T T T T T T T T Envolvente Os custos de melhoria da envolvente da habitação localizada em Faro considerados no estudo económico apresentam-se na Tabela 12. Estes correspondem ao custo unitário de implementação de cada uma das hipóteses de melhoria apresentadas face à solução base. A importância da melhoria corresponde portanto ao produto da área do elemento melhorado pelo custo unitário de melhoria. Tabela 12 Custos de melhoria da envolvente para a habitação localizada em Faro Faro Melhoria Descrição Custo ( /m 2 ) 1 ETICS com 3 mm de EPS Paredes 2 ETICS com 8 mm de EPS Cobertura Colocação de 7 mm de XPS plana Colocação de 18 mm de XPS Cobertura 6 mm de XPS e teto falso em gesso cartonado inclinada 14 mm de XPS e teto falso em gesso cartonado 62.5 caixilharia simples de correr, sem corte térmico e com vidro duplo com 6 mm de lâmina de ar Caixilharia caixilharia simples de batente, com corte térmico e com vidro duplo com 16 mm de lâmina de ar Proteção solar Persiana de réguas metálicas de cor clara Os custos de melhoria da envolvente da habitação localizada em Bragança considerados no estudo económico apresentam-se na Tabela 13. No caso de melhoria de paredes em Bragança, o custo da solução com melhor coeficiente de transmissão térmica é inferior ao custo da solução de melhoria com pior U. Tal deve-se ao facto 25

43 de no primeiro caso o isolamento ser feito pelo interior e no segundo pelo exterior, pelo que apesar de ser uma solução mais económica conduz a uma redução efetiva do espaço útil da habitação já que ocupa cerca de 25 cm de toda o perímetro interior das paredes exteriores. A melhoria da cobertura inclinada prevê a colocação de isolamento térmico e a execução de teto falso em gesso cartonado paralelo ao teto existente. Tabela 13 Custos de melhoria da envolvente para a habitação localizada em Bragança Bragança Melhoria Descrição Custo ( /m 2 ) 1 ETICS com 5 mm de EPS Paredes 2 1 mm de XPS, tijolo 3x2x11 e estuque Cobertura Colocação de 8 mm de XPS plana Colocação de 2 mm de XPS Cobertura 6 mm de XPS e teto falso em gesso cartonado inclinada 16 mm de XPS e teto falso em gesso cartonado caixilharia simples de correr, sem corte térmico e com vidro duplo com 6 mm de lâmina de ar Caixilharia caixilharia simples de batente, com corte térmico e com vidro duplo com 16 mm de lâmina de ar Proteção solar Persiana de réguas metálicas de cor clara Equipamentos para AQS O custo de instalação e manutenção dos equipamentos de AQS propostos como solução de melhoria, bem como a sua eficiência são apresentados na Tabela 14. De acordo com os ficheiros climáticos do EnergyPlus Faro tem uma radiação solar anual de kw.h/m 2 e Bragança kw.h/m 2. Apesar desta diferença de cerca de 18% considerou-se igual o custo dos coletores solares para ambas as localizações, uma vez que o custo da mão-de-obra em Bragança é normalmente inferior ao de Faro, compensando dessa forma algum acréscimo de custo de equipamento necessário para que Bragança atinja a mesma fração solar que Faro. Além disso, estes valores são meramente indicativos, uma vez que a determinação rigorosa da fração solar para cada caso de estudo seria um trabalho exaustivo que sai fora do âmbito desta dissertação. 26

44 Tabela 14 Custo de instalação e manutenção dos equipamentos de AQS por tipologia Equipamento Esquentador Caldeira mural Caldeira mural de condensação Bomba de calor Coletores solares Investimento inicial ( ) Manutenção anual ( ) Eficiência T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T CUSTO DA ENERGIA Um dos fatores determinantes no presente estudo é o do custo da energia consoante a sua fonte e a evolução do seu custo no futuro. A Tabela 15 apresenta os custos considerados nesta dissertação à data atual. No caso da energia elétrica considerou-se que o consumo dos equipamentos até 1 kw não obriga a um aumento de potência contratada (3.45 kva) e, como tal, não acarreta encargos. Para as potências superiores a 1 kva os valores apresentados são a diferença de encargos de potência entre a potência contratada e a potência de 3.45 kva. 27

45 Tabela 15 Custo da energia e encargos anuais por consumo ou potência por fonte energética Fonte energética Gás natural (1 m 3 = 11.5 kw) Consumo anual (kwh/ano) Potência elétrica do equipamento (kva) Encargos anuais por consumo ou potência ( /ano) Custo energético ( /kwh) a a a a Gás butano 13 Kg (1 Kg = 12.2 kwh) Gás propano 11 Kg (1 Kg = 13.2 kwh) Gás propano 45 Kg (1 Kg = 13.2 kwh) - a a Eletricidade a a a Gasóleo Biomassa

46 4 MÉTODO DE ANÁLISE PARAMÉTRICA 4.1 ENERGYPLUS O EnergyPlus é um programa desenvolvido pelo U.S. Department of Energy (DOE) de distribuição gratuita que se encontra disponível mediante registo em O EnergyPlus permite simular energeticamente todo um edifício no que diz respeito a aquecimento, arrefecimento, iluminação, ventilação e utilização de água. Para efeitos desta dissertação utilizou-se o EnergyPlus para determinar as necessidades de aquecimento e de arrefecimento para cada um dos casos de estudo, de modo a proceder-se a um estudo económico de várias hipóteses de melhoria face às características originais. Na presente dissertação utilizou-se a versão 7.. do EnergyPlus. Para poder proceder à simulação é necessário o ficheiro climático do local em estudo, sendo que para Portugal está apenas disponível para as seguintes localizações: Bragança, Coimbra, Évora, Faro, Funchal, Lajes, Lisboa e Porto Introdução de dados no EnergyPlus Para proceder à introdução de dados no EnergyPlus escolheu-se um caso de estudo e procedeu-se à sua caracterização. Uma vez que não é possível definir coeficientes de transmissão térmica diferentes para um mesmo material foi necessário introduzir de forma independentemente a estação de aquecimento e arrefecimento, para melhor simular o efeito dos fluxos ascendentes e descendentes na cobertura e das várias hipóteses de proteções solares dos envidraçados. Em seguida descrevem-se os dados introduzidos em diversos campos do programa indicados na língua original e com aproximação do autor para português Simulation Parameters (Parâmetros da Simulação) Neste capítulo definiu-se que o objeto de estudo localiza-se nos subúrbios. Os algoritmos escolhidos para simular as trocas por convenção foram os pré-definidos Location and Climate (Localização e clima) Neste capítulo introduziu-se os diversos períodos de simulação existentes: 13/11 a 1/5 para a estação de aquecimento em Faro; 29

47 2/1 a 31/5 para a estação de aquecimento em Bragança; 1/6 a 3/9 para a estação de arrefecimento em Faro e em Bragança. Definiram-se ainda as temperaturas do solo sob o edifício para cada mês do ano, considerando-se 17ºC de Novembro a Abril, 19ºC em Maio e Outubro e 22ºC de Junho a Setembro Schedules (Agendamentos) Neste capítulo é colocado o modo de utilização e operação do edifício e dos seus equipamentos, ficando interligado a outros grupos do EnergyPlus. Em ScheduleTypeLimits são definidas condições para as variáveis que são utilizadas no Schedule:Compact, que servirão para mais tarde definir as temperaturas de controlo da climatização, período de ganhos internos e de renovação do ar, modo de funcionamento do termóstato, entre outros Surface Construction Elements (Superfícies dos Elementos de Construção) Aqui são definidas as características dos materiais que constituem as diversas soluções construtivas, conforme parcialmente visível na Figura 13. Figura 13 Caraterísticas de materiais Em Material:NoMass colocaram-se as características dos materiais de isolamento térmico dado que estes são muito leves e, como tal, a sua massa não tem significado para efeitos de inércia térmica. 3

48 Em WindowMaterial:SimpleGlazingSystem indica-se o coeficiente de transmissão térmica e o fator solar de cada solução de caixilharia, conjugados com a proteção solar que lhe esteja associada. Com os materiais constituintes das soluções construtivas estabelecidos procedeu-se então à definição destas, conforme se pode verificar na Figura 14, através da junção dos vários materiais constituintes. Figura 14 Características das soluções construtivas ThermalZones and Surfaces (Zonas Térmicas e Superfícies) Este capítulo compreende a definição geométrica do edifício e a atribuição a cada uma das superfícies das suas características construtivas com base no anteriormente definido (Figura 15). Por motivos de simplificação do estudo paramétrico não foi considerada a existência de pontes térmicas. Além das superfícies opacas são também definidas neste capítulo as superfícies envidraçadas e a massa interna do edifício. Esta última permite simular o efeito da inércia térmica que as lajes de pavimento e paredes divisórias interiores conferem ao edifício. Na introdução das coordenadas dos vértices dos elementos é necessário ter em consideração as definições patentes na Figura 16. Aqui definiu-se que cada elemento é definido começando no vértice superior esquerdo e indicando os restantes no sentido contrário aos ponteiros do relógio. Estes vértices não são independentes do ponto de observação, pelo que se deve considerar sempre que o observador se encontra do lado de fora do edifício. 31

49 Figura 15 Detalhe das superfícies do edifício Figura 16 Regras globais de geometria 32