estudo paramétrico para otimização do projeto térmico de pequenos edifícios parte ii

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1 39_ 43 projeto térmico estudo paramétrico para otimização do projeto térmico de pequenos edifícios parte ii Albano Neves e Sousa Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil Arquitetura e Georrecursos do IST albanonsousa@civilistutlpt André Afonso Mestre em Engenharia Civil IST andrealvafonso@gmailcom 1 INTRODUÇÃO O presente artigo corresponde à segunda parte de um estudo [1] destinado a identificar os parâmetros que de acordo com a metodologia de cálculo do RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios [2]) controlam o desempenho energético de pequenos edifícios isolados (moradias) Pretende-se desta forma explicar os casos de projeto de difícil satisfação dos requisitos regulamentares que surgem com alguma frequência mesmo para moradias com soluções de envolvente de elevada qualidade térmica localizadas em zonas de Inverno pouco rigoroso Na primeira parte deste estudo [1] foram analisados os efeitos de diversos parâmetros nos indicadores c c sendo c e respetivamente os valores nominais de cálculo dos consumos energéticos anuais (em kwh/m 2 ) para aquecimento e arrefecimento ambiente e os correspondentes limites regulamentares Os parâmetros estudados foram os seguintes [1]: Área útil de pavimento (A p ) depende da tipologia de habitação (T 1 a T 5 ); Número de pisos (1 ou 2); Relação entre o maior e o menor comprimento em planta (a/b = 1 2 ou 3); Cobertura (horizontal ou inclinada); Orientação solar; Posição de locais não aquecidos (LNA); Existência de isolamento térmico perimetral de pavimento; Relação entre a área total de envidraçados e a área útil de pavimento (A env = 10 a 25 %); Caixilharia (com ou sem corte térmico); Proteções solares (cor tinas interiores portadas ou estores exteriores) Concluiu-se que deve ser privilegiado o desempenho energético de Inverno sendo o número de pisos e o tipo de cobertura os parâmetros que mais afectam a classificação c No presente artigo serão discutidos os efeitos dos parâmetros acima nos indicadores de desempenho N ac (relativo ao consumo energético para aquecimento de águas sanitárias) e N tc (relativo ao consumo de energia primária em kg equivalente de petróleo/m 2 ) Para tal será considerada para cada quociente do tipo N c /N uma classificação análoga à fixada pelo Sistema de Certificação Energética [3]: Classe A+ (0 % < Nc/N 25 %); Classe A (25 % < Nc/N 50 %); Classe B (50 % < Nc/N 75 %); Classe B- (75 % < Nc/N 100 %) 2 RESULTADOS DO ESTUDO 21 Águas quentes sanitárias (AQS) Para o estudo do indicador N ac foram consideradas as seguintes condições: Sistema de AQS constituído por esquentador a gás com eficiência padrão a = 050; Sistema coletor de energia solar do tipo Kit (circulação não forçada); Inexistência de outros sistemas de energia renovável Para simplificar a análise paramétrica calculou-se a energia E solar fornecida pelo sistema de painéis solares com base no método descrito no Despacho nº 11020/2009 [4] Este método faz depender E solar dos seguintes parâmetros: localização geográfica do edifício; tipo de sistema solar utilizado; posicionamento do sistema (azimute ou ângulo formado com a direção Sul e inclinação relativamente ao plano horizontal); e existência de sombreamento O Quadro X do Despacho nº 11020/2009 [4] mostra que a existência de sombreamento dos painéis solares não tem efeitos significativos sobre o valor de E solar Com base no Quadro IX do Desp nº 11020/2009 [4] conclui-se que o posicionamento (inclinação/azimute) mais gravoso dos painéis solares conduz a um acréscimo de 15 % no indicador N ac relativamente ao posicionamento ótimo dos painéis (inclinação entre 16 e 45º e azimute entre 0 e 30º) sendo a melhoria um pouco mais significativa para as maiores tipologias de habitação devido à imposição de 1 m 2 de área de painéis solares por cada ocupante Na Figura 1 é apresentada a relação obtida entre o indicador de desempenho N ac e a área útil de pavimento considerando-se painéis solares com posicionamento ótimo A Figura 1 mostra que o aumento de A p melhora a classificação N ac o que se deve ao aumento da proporção do número de quartos relativamente à área útil de pavimento e cm_39

2 projeto térmico consequentemente do número de ocupantes e da área relativa de painéis solares Considerando novamente o posicionamento ótimo dos painéis solares mas fazendo variar em ±1 m 2 a área total de painéis resultante da relação de 1 m 2 /ocupante conclui-se que o quocient varia de forma inversa entre 10 a 20 % com maior relevância nas maiores tipologias de habitação Na Figura 2 apresentam-se os quocientes N ac em função dos valores indicados no RCCTE [2] para a eficiência padrão a de sistemas convencionais de produção de AQS considerando-se em todos os casos o posicionamento ótimo dos painéis solares e a proporção de 1 m 2 de painel solar por ocupante A Figura 2 mostra que o consumo energético diminui com o aumento da área útil o que resulta novamente do aumento da área de painéis solares (Figura 1) A Figura 2 também mostra reduções significativas d para os sistemas convencionais de produção de AQS de maior eficiência Note-se qu se situou entre 338 e 394 kwh/m 2 pelo que a variação d deve-se essencialmente a N ac De qualquer forma estes resultados devem ser considerados independentemente da fonte de energia utilizada visto que o fator de conversão F pu de energia útil em energia primária é mais > 1 desfavorável para eletricidade (F pu = 0290 kgep/kwh) do que para combustíveis sólidos líquidos ou gasosos (F pu = 0086 kgep/kwh) [2] 22 Energia primária As necessidades globais de energia primária foram também objeto de análise paramétrica sobre a amostra de casos de estudo definida na primeira parte do presente artigo [1] Foram consideradas moradias localizadas no concelho de Palmela (I 1 ;V 3-Sul ) com zonas correntes de envolvente exterior apresentando coeficientes de transmissão térmica entre 041 e 058 W/m 2 ºC Assumiu-se ainda o recurso aos sistemas de climatização padrão indicados no RCCTE [2]: aquecimento por resistência elétrica com eficiência i = 10 e arrefecimento por máquina frigorífica com eficiência (COP) v = 30 Considerou-se também um sistema padrão para produção de AQS nomeadamente um esquentador a gás com eficiência a = 05 A Figura 3 apresenta as classificações N tc obtidas para a totalidade da amostra observando-se que N tc é sempre inferior ao limite N t Apesar da boa qualidade da envolvente cerca de 30 % dos casos de estudo não satisfazem > 2 > Figura 1: Relação do indicador de desempenho N ac com a área útil de pavimento (A p ) > Figura 2: Variação do quocient em função da tipologia de habitação e da eficiência a do sistema convencional de produção de AQS 40_cm

3 as exigências regulamentares Estes casos de incumprimento condicionados pelos valores de c (15621 casos) c (1722 casos de entre os quais 424 apresentam também c > 1) foram descritos na primeira parte deste artigo [1] e não dependem da eficiência do aparelho produtor de AQS Se tivesse sido utilizada eletricidade e não gás como fonte de energia para a produção de AQS considerando por exemplo a utilização de um termoacumulador elétrico padrão com eficiência a = 09 as classificações N tc obtidas para a totalidade da amostra seriam as indicadas na Figura 4 A Figura 4 mostra que a produção de AQS por termoacumulador elétrico conduz a um aumento muito significativo dos casos de incumprimento os quais são agora condicionados (apenas ou também) pela relação N tc ocorrendo ainda 240 casos de incumprimento condicionados pela relação Em seguida serão analisados os efeitos dos parâmetros elencados em 1 sobre N tc Considera-se em todos casos a produção de AQS por esquentador a gás Na Figura 5 é apresentada a variação de N tc com a tipologia de habitação observando-se o efeito positivo do aumento da área útil de pavimento A forte variação registada de 95 m 2 (T 2 ) para 120 m 2 (T 3 ) decorre da possibilidade de introdução de um segundo piso no edifício Para a mesma área de pavimento a existência de dois pisos pode representar uma melhoria de 7 % na classificação N tc Em geral os quocientes N tc obtidos para moradias com área de implantação quadrada (a/b = 1) apresentam uma redução de cerca de 25 % relativamente a moradias de configuração mais alongada o que decorre do maior fator de forma destas últimas Pelo mesmo motivo associado à redução das trocas de calor por ventilação a opção por coberturas horizontais conduz a melhorias da classificação N tc de cerca de 6 % relativamente à opção por coberturas inclinadas A orientação solar das moradias poderá fazer variar o quociente N tc em cerca de 1 % decorrendo este valor relativamente baixo > 4 > 5 > 3 de alguma compensação de efeitos entre os períodos de aquecimento e arrefecimento O posicionamento de locais não aquecidos nas fachadas de exposição solar mais reduzida pode representar uma melhoria de cerca de 35 % na classificação N tc relativamente a outros posicionamentos A presença de isolamento perimetral de pavimentos térreos conduz a melhorias pouco significativas de N tc (cerca de 2 %) O quociente N tc reduz-se com o aumento da relação A env obtendo-se diferenças percentuais máximas de cerca de 4 % relativamente à situação em que A env = 10 % Este comporta- > Figura 3: Distribuição de classes N tc obtidas para os casos de estudo com esquentador a gás > Figura 4: Distribuição de classes N tc obtidas nos casos de estudo com termoacumulador elétrico > Figura 5: Distribuição de classificações N tc obtidas em função da área útil de pavimento (A p ) cm_41

4 projeto térmico > 6 > 7 mento é reforçado na presença de caixilharias com corte térmico (redução de N tc em cerca de 25 %) e de fatores solares do conjunto vidro/ proteção solar elevados no Inverno e reduzidos no Verão Assim é preferível o recurso a proteções solares exteriores opacas com as quais se obtêm quocientes N tc inferiores em cerca de 65 % aos obtidos com outro tipo de proteções solares Na Figura 6 apresenta-se um resumo das conclusões anteriores indicando-se o máximo acréscimo percentual de N tc conferido por cada parâmetro de estudo relativamente à solução ótima correspondente A classificação apresentada na Figura 6 da importância dos diversos parâmetros de estudo relativamente ao quociente N tc é análoga à que foi obtida na primeira parte deste estudo [1] relativamente a c Os parâmetros mais importantes são o número de pisos e o tipo de cobertura e proteções solares São também importantes embora com menor peso o posicionamento dos locais não aquecidos e a relação A env Na Figura 7 apresenta-se a distribuição das classificações N tc obtidas para uma amostra de apenas 1152 casos de estudo correspondente a moradias com: cobertura horizontal; proteções solares exteriores; A env = 20 a 25 %; e locais não aquecidos adjacentes à fachada Norte ou Noroeste Concluise que o número de casos de incumprimento se reduz a 4 sendo condicionados pelo quociente c Observa-se também que a grande maioria dos casos de estudo apresentam classe energética B podendo esta ser melhorada com uma escolha adequada de equipamentos de climatização e produção de AQS A Figura 6 evidencia uma diminuição de cerca de dois terços no efeito de cada parâmetro em N tc relativamente ao seu efeito em c o que decorre do elevado peso da energia destinada à produção de águas quentes sanitárias na energia primária global Para confirmar esta observação apresenta-se em seguida uma análise simplificada do peso relativo dos indicadores Os maiores valores de ocorrem para edifícios de elevado fator de forma (FF) localizados em zonas de Inverno rigoroso e longo Por outro lado o peso de é tanto maior quanto menor for o correspondente peso d Assim o máximo peso relativo de ocorre para edifícios com FF > 15 [2] localizados em concelhos como por exemplo Manteigas (zona I 3 -V 1-Norte com 8 meses de duração M da estação de aquecimento: GD = 3000 ºC dia [2]) De forma análoga a máxima contribuição d ocorre para edifícios de baixo fator de forma localizados nas zonas V 2-Sul ou V 3-Sul às quais correspondam zonas de Inverno pouco rigoroso como é por exemplo o caso do concelho de Lagoa (zona I 1 -V 2-Sul com M = 63 meses e GD = 980 ºC dia [2]) Em moradias com as tipologias consideradas neste estudo e área útil de pavimento (A p ) entre 70 e 190 m 2 o limit que depende apenas de A p e do número de ocupantes rondará os 38 kwh/m 2 [2] Assim o peso d é máximo quando a soma + N v for a menor possível o que ocorre para habitações com FF 05 localizadas em concelhos como por exemplo Portimão (zona I 1 -V 1-Sul com M = 53 meses e GD = 940 ºC dia [2]) Pelo contrário o menor peso d ocorre quando a soma + N v é máxima (eg moradias com FF > 15 localizadas no concelho de Manteigas) No Quadro 1 é apresentado um resumo dos resultados obtidos por aplicação das conclusões acima Demonstra-se que o consumo global de energia primária permitido pelo RCCTE [2] depende maioritariamente do consumo energético permitido para produção de águas quentes sanitárias e residualmente do consumo permitido para arrefecimento No entanto a contribuição dos valores nominais de cálculo c c para a energia > Figura 6: Influência dos parâmetros de estudo sobre o quociente N tc > Figura 7: Distribuição de classificações N tc obtidas como controlo paramétrico para 1152 casos de estudo com esquentador a gás 42_cm

5 primária global N tc pode ser substancialmente diferente como a seguir se demonstra Para moradias com elevado fator de forma e área útil de pavimento (A p ) entre 70 e 190 m 2 equipadas com esquentador a gás ( a = 05) o indicador N ac rondará os 30 kwh/m 2 pelo que apenas para valores de c de cerca de 70 % será possível num concelho como Manteigas cumprir as exigências regulamentares Neste caso o peso de c c c seria de cerca de 65 % Esta percentagem pode subir significativamente caso sejam utilizados sistemas mais eficientes de produção de AQS A título ilustrativo considere-se a utilização de uma caldeira mural a gás com acumulação com pelo menos 100 mm de isolamento térmico ( a = 087) Neste caso os indicadores c c poderiam igualar os respetivos limites regulamentares passando a representar respetivamente 853 e 23 % de N tc O indicador N ac seria então apenas 123 % de N tc Para confirmação das conclusões acima apresentam-se no Quadro 2 as contribuições de c c e de para N t obtidas com os casos de estudo da amostra de casos definida na primeira parte do presente artigo [1] que cumprem os limites de (40681 casos de estudo) O Quadro 2 mostra também que o peso de c c diminui com o aumento da área útil de pavimento ao contrário do que acontece com os indicadores O contributo de c e é claramente superior ao contributo de para N t o que reforça a noção de que o peso da energia destinada à produção de AQS em moradias é sobrevalorizado no consumo limite de energia primária definido no RCCTE [2] Este facto tem consequências também ao nível da otimização da classificação do desempenho energético observando-se que com c = 1c = 1 igual a um valor corrente de 38 kwh /m 2 e recorrendo a sistemas de climatização alimentados a energia elétrica com eficiências i = 4 e v = 3 e a sistemas de produção de AQS alimentados a combustível sólido líquido ou gasoso é possível obter classificações A ou A + para moradias localizadas em qualquer zona climática desde que se garanta que o quocient é inferior a cerca de 50 % Indicador Valores obtidos (kwh/m 2 ano) Peso mínimo (%) Peso máximo (%) (Lagoa) 265 (Manteigas) N v (Manteigas) 50 (Lagoa) N a (Manteigas) 900 (Portimão) Quadro 1 Estimativa do peso dos indicadores Tipologia T1 T2 T3 T4 T5 Contribuição (%) para N t (%) c N ac N v N a Min Méd Max Min Méd Max Min Méd Max Min Méd Max Min Méd Max Número de casos / / / / / Total Méd / Quadro 2 Peso dos indicadores c c c e dos indicadores para uma amostra de casos de estudo 3 CONCLUSÕES A análise efetuada indicou que à exceção do número de pisos do edifício o qual é imposto pelo programa de arquitetura os parâmetros que mais afetam a classificação N tc são o tipo de proteções solares e tipo de cobertura bem como a relação A env Esta conclusão é análoga à obtida na primeira parte deste estudo relativamente à análise do indicador c O quocient reduz-se com o aumento da área útil de pavimento (tipologia de habitação) em virtude do aumento do número de ocupantes e consequentemente do aumento da área de painéis solares Provou-se que em moradias com áreas inferiores a 190 m 2 o peso do indicador c c pode exceder significativamente o peso dos indicador o que considerando que os pesos dos indicadores c é semelhante indica que o limite de consumo energético considerado no RCCTE [2] atribui um peso excessivo à produção de AQS REFERÊNCIAS [1] Albano Neves e Sousa André Afonso - Estudo paramétrico para optimização do projecto térmico de edifícios Parte 1 Construção Magazine p30-35 [2] Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios - Decreto-Lei nº 80/2006 de 4 de abril [3] Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios - Decreto-Lei nº 78/2006 de 4 de abril [4] Método de Cálculo Simplificado para a Certificação Energética de Edifícios Existentes no âmbito do RCCTE - Despacho nº 11020/2009 de 30 de abril cm_43