Mestrado em Engenharia Civil

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1 Mestrado em Engenharia Civil Processos e Gestão da Construção Dissertação Modelo Simplificado de Previsão do Comportamento Térmico de Edifícios Mestrando Licenciado Ricardo Jorge Alves Silvestre Lobão Orientador Professora Doutora Maria Manuela O. G. de Almeida Guimarães, Janeiro de 2004

2 À minha mulher Cila, aos meus pais, e aos meus amigos. modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 2

3 Resumo O tema deste trabalho prende-se com a necessidade de, nos dias de hoje, encontrar uma ferramenta técnica que responda aos diversos tipos de tipologia construtiva existente sob o ponto de vista de uma análise térmica comparativa entre os vários constituintes da envolvente. Na certeza de que, cada vez mais, e na observância das novas Directivas Europeias, os factores relacionados com o conforto térmico assumem uma maior importância no contexto global dos edifícios, definiu-se um programa de cálculo automático, baseado num modelo teórico existente, e que assenta numa plataforma de programação que permite uma maior contextualização e interacção entre o utilizador e os modelos matemáticos até agora utilizados. O trabalho agora proposto tem como objectivo a simulação de situações concretas representando soluções construtivas diversas, sendo capaz de antecipar conclusões quanto às diferentes tipologias estruturais e de organização espacial, permitindo maximizar o conceito de conforto térmico dos espaços. Este modelo, designado de mpcte foi desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic 6.0 e permite ao utilizador definir quer em termos físicos quer em termos espaciais toda a envolvente em estudo, incluindo as suas coordenadas no globo terrestre (latitude e longitude). O modelo permite também o carregamento de um ficheiro climático, representativo da localização do espaço em estudo, que não é mais que o conjunto das medições horárias da temperatura exterior e da radiação solar. Em termos de resultados, podemos obter outputs que avaliam a evolução das temperaturas interiores e a inércia térmica em termos horários durante todo o período de simulação. Palavras-chave: Ferramentas de simulação térmica de edifícios, avaliação do conforto térmico, inércia térmica, construção sustentável. modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 3

4 Abstract The work performed arose due to the necessity now-a-days for a technical tool that can adequately perform a comparative analysis between the various elements of a compartment with regards to different types of construction typologies. Ever more, and in accordance with the new European Directives, the factors related to thermal comfort assume a greater importance within the global context of buildings. Therefore, a software was developed, based on an existing theoretical model, that allows for greater contextualization and easier interaction in between the user and the mathematical models now available. The objective of the proposed work is to simulate realistic situations defining the diverse constructive solutions, being able to predict conclusions with regards to the different structural typologies and the spatial organization, allowing the maximization of the concept of spatial thermal comfort. The software, named mpcte, was developed using the Visual Basic 6.0 programming language. It allows the user to define the surrounding space, both in physical and spatial terms, including the coordinate on the earth surface (longitude and latitude). The model can also load a climatic file, representing the space under study, with regards to the variation in time of the external temperatures and solar radiation. The results show the time evolution (hourly values) of the compartment interior temperatures and of the thermal inertia associated to the space throughout the simulation period. Keywords: Building thermal simulation tools, thermal comfort assessment, thermal inertia, sustainable construction. modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 4

5 Resumé Le sujet de ce travail se tient avec le besoin de, à nos jour, trouver un outil technique qui puise répondre aux différents types de typologie constructive existante sur l endroit d une analyse thermique comparative entre les différents constituants de l enveloppe. Certes que, de plus en plus, et dans l observance dés nouvelles Directives Européennes, les facteurs rapportés au confort thermique prennent une importance plus forte au contexte global dés bâtiments, on a défini un programme de calcul automatique fondé sur un modèle théorique existante, et qui se porte sur une plate-forme de programmation qui permet une majeur contextualisation et une plus facile interaction entre l utilisateur et les modèles mathématiques utilisés jusqu au moment. Le travail proposé maintenant a le bute de simuler des situations concrètes en représentant des solutions constructives variées capables d anticiper des conclusions en ce qui concerne les différents typologies structurales et de l organisation spatiale, en permettant maximiser le concept de confort thermique des espaces. Ce modèle, dénommé de mpcte a été développé dans le langage de programmation Visual Basic 6.0 et permet à utilisateur définir soit en termes physiques soit en termes spatiales tout l enveloppe en étude, compris ses coordonnées au globe terrestre (latitude et longitude). Le modèle permet encore le chargement d un fichier climatique, représentatif de la localisation de l espace en étude, l assemblage des méditions horaires de la température extérieur et de la radiation solaire. En ce qui concerne les résultats, on peut obtenir outputs qu évaluent l évolution des températures intérieures et de l inertie thermique en termes horaires pendent tout le période de simulation. Keywords: Outils de simulation thermique des édifices, évaluation du confort thermique, inertie thermique, construction soutenable. modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 5

6 Agradecimentos Gostaria de agradecer, em primeiro lugar, à Professora Manuela Almeida, minha orientadora científica, cujo interesse e empenho foram fundamentais para a concretização desta tese. Agradeço também a todos os autores e investigadores cujo trabalho e pensamento fui conhecendo através de livros e artigos, e com quem aprofundei o gosto por este tema, que considero de supra importância para o futuro de uma construção sustentada. À minha esposa pelo apoio constante, paciência e compreensão demonstrados. modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 6

7 Simbologia e Notações A Área do elemento (m 2 ) a Coeficiente de absorção ar Azimute do elemento (graus) as Azimute do Sol (graus) azimute Ângulo horizontal medido em relação ao Norte (graus) Ceff Capacidade térmica efectiva do compartimento (MJ/ºC) ceffi Capacidade térmica efectiva do elemento (MJ/ºC) e i envidraçado/parede direita Espessura do elemento (m) Distância do envidraçado à parede direita (m) envidraçado/parede esquerda Distância do envidraçado à parede esquerda (m) ET Equação do tempo (horas) FRV Factor de redução do envidraçado (varia entre 0 e 1) fs Factor de sombreamento fsolar factor solar do vão envidraçado fsp factor solar da protecção do vão envidraçado fsv factor solar do vidro G Radiação exterior (W/m 2 ) hs Ângulo solar (graus) I Radiação incidente nos elementos da envolvente (MJ/ºC) U Coeficiente global de perdas (W/m 2 ºC) largura Largura do compartimento (m) latitude Latitude (graus) longitude Longitude (graus) N Número de renovações de ar por hora pé direito Pé direito do compartimento (m) período de simulação Período de simulação do estudo (dias) profundidade Profundidade do compartimento (m) Qarm Calor armazenado nos elementos da envolvente (MJ/ºC) Qpe Perdas pela envolvente (MJ/ºC) Qpi Perdas por infiltração (MJ/ºC) Ri Radiação incidente nos elementos da envolvente (MJ/ºC) Text Temperatura exterior ao compartimento (ºC) modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 7

8 Tint Temperatura interior do compartimento (ºC) TSV Tempo solar verdadeiro (horas) V Volume do compartimento (m 3 ) α Altura solar (graus) δ Declinação solar (graus) T Amplitude térmica interior (ºC) λi Condutibilidade térmica da camada i (W/mK) α int Coeficiente de convecção da face interior (W/m 2 K) α ext Coeficiente de convecção da face exterior (W/m 2 K) modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 8

9 Índice do Trabalho Resumo... 3 Abstract... 4 Resumé... 5 Agradecimentos... 6 Notações e Unidades... 7 Índice do Trabalho... 9 Índice de Figuras Índice de Tabelas Capítulo 1 Introdução Enquadramento do trabalho Objectivos do trabalho Motivação Metodologia, organização e estrutura do texto Capítulo 2 A questão energética associada aos edifícios Construção sustentável O comportamento energético dos edifícios Factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios Arquitectura bioclimática conceitos para um edifício sustentável Soluções para arrefecimento no Verão Protecção da radiação Sistemas de arrefecimento evaporativo Ventilação Iluminação Soluções para aquecimento no Inverno Captação solar Incentivos à aplicação do conceito Casos concretos de aplicação Enquadramento legal enquanto suporte do conceito Directivas, normas e regulamentos ligados ao comportamento térmico dos edifícios em Portugal modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 9

10 Âmbito de aplicação dos regulamentos RCCTE e RSECE Regulamento de características de comportamento térmico de edifícios (RCCTE) Regulamento dos sistemas energéticos de climatização em edifícios (RSECE) Ferramentas para avaliação do comportamento térmico dos edifícios Capítulo 3 Metodologia Introdução Balanço energético de um espaço Introdução Solicitações exteriores Perdas pela envolvente opaca Perdas por infiltração Ganhos solares Capacidade térmica efectiva de um compartimento Quantificação da capacidade de armazenamento térmico de elementos construtivos Método de cálculo da quantidade de calor armazenado diariamente Solicitações exteriores Calor armazenado em vários elementos Método de cálculo da temperatura ambiente interior Desenvolvimento do modelo de cálculo Geometria solar Pavimento Paredes laterais Parede do fundo Modelação dos elementos da envolvente Dados gerais do programa Elementos de parede Elementos de cobertura Elementos de pavimento Elementos de envidraçado Factor solar do vão envidraçado modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 10

11 Factor de sombreamento (fs) Capítulo 4 Implementação do modelo num programa de cálculo automático Caracterização geral Utilizando o programa Como iniciar um trabalho Caracterização da envolvente Definição de elementos de parede Definição de elementos de cobertura Definição de elementos de pavimento Definição de elementos de envidraçados Carregamento do ficheiro climático Executando o cálculo Trabalhar com os comandos dos menus Comando adicionar Comando editar Comando eliminar Comando duplicar Comando sair Comando ajuda Como utilizar o comando de Ajuda Como utilizar Índice remissivo Palavra-chave Aspecto final da ajuda disponibilizada Ficheiros gerados pelo programa Ficheiro de dados Ficheiro de resultados Capítulo 5 Aplicação do programa a um caso prático Introdução A célula de teste Recolha de dados Validação do modelo matemático desenvolvido modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 11

12 Capítulo 6 Conclusões Conclusões gerais Perspectivas de trabalho futuro Referências bibliográficas Bibliografia Anexo A Calor armazenado por elementos construtivos típicos dos edifícios de Portugal, em função da amplitude térmica e da energia solar incidente Tabela A1.1 Paredes interiores Tabela A1.2 Lajes interiores Tabela A1.3 Lajes de pavimento sobre espaços interiores não aquecidos Tabela A1.4 Lajes de cobertura sob espaços interiores não aquecidos Tabela A1.5 Pano interior de parede dupla Tabela A1.6 Paredes exteriores simples, isoladas pelo exterior modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 12

13 Índice de Figuras Figura 2.1 Ciclo da vida Figura 2.2 Influência da zona climática de implantação dos edifícios nas suas necessidades energéticas, em função do nível de isolamento Figura 2.3 Influência da forma nas necessidades energéticas em função da orientação. 28 Figura 2.4 Influência do tipo de inércia em função do nível de isolamento dos elementos Figura 2.5 Exemplo de um programa de modelação que permite calcular as pontes térmicas Figura 2.6 Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de parede, em função do isolamento Figura 2.7 Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de envidraçado, em função do tipo de caixilharia Figura 2.8 Exemplo de palas fixas numa situação de Inverno (à esquerda) e Verão (à direita) Figura 2.9 Influência do ângulo de incidência da radiação na sua penetração. Inverno (em cima), Verão (em baixo) Figura 2.10 Exemplo de sombreamento natural Figura 2.11 Exemplo de sombreamento com uma árvore de folha de caduca no Inverno (à esquerda) e no Verão (à direita) Figura 2.12 Exemplo de sombreamento com uma trepadeira Figura 2.13 Exemplo de um sistema roof spraying Figura 2.14 Óculo circular destinado à ventilação da sala Figura 2.15 Pormenor do funcionamento da chaminé solar Figura 2.16 Esquema de funcionamento de um sistema de arrefecimento/ventilação durante um dia de Verão Figura 2.17 Plano do piso térreo da Casa Solar de Porto Santo em Porto Santo Figura 2.18 Edifício com elevada área envidraçada Figura 2.19 Exemplos de mecanismos de captação solar Figura 2.20 Exemplo de uma parede de captação solar Figura 2.21 Casa Schäfer, Porto Santo. Fotografia do aspecto exterior de uma parede de Trombe; esquema do seu funcionamento consoante as estações do ano Figura 2.22 Edifício The Foyer modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 13

14 Figura 2.23 Edifício Torre Verde Figura 3.1 Esquema do compartimento simulado Figura 3.2 Balanço energético do espaço em estudo Figura 3.3 Equação do tempo Figura 3.4 Área do pavimento atingida pela radiação solar Figura 3.5 Radiação solar que entra no compartimento Figura 3.6 Área da parede lateral que recebe radiação solar Figura 3.7 Área da parede de fundo que recebe radiação solar Figura 4.1 Organograma do programa Figura 4.2 Janela de entrada do programa Figura 4.3 Menu Projecto de entrada do programa Figura 4.4 Janela de definição de dados gerais do projecto Figura 4.5 Menu Dados Figura 4.6 Janela referente a Dados de Paredes Figura 4.7 Janela de alerta para introdução de paredes Figura 4.8 Janela para definição de elemento de parede Figura 4.9 Mensagem de alerta de limite máximo de elementos Figura 4.10 Janela de Dados de Paredes com um elemento definido Figura 4.11 Janela de Dados de Paredes completamente definida Figura 4.12 Janela referente a Dados de Coberturas Figura 4.13 Janela para definição de elemento de cobertura Figura 4.14 Mensagem de alerta de limite máximo de elementos Figura 4.15 Janela de Dados de Coberturas com um elemento definido Figura 4.16 Janela referente a Dados de Pavimentos Figura 4.17 Janela para definição de elemento de pavimento Figura 4.18 Mensagem de alerta de limite máximo de elementos Figura 4.19 Janela de Dados de Pavimentos com um elemento definido Figura 4.20 Janela referente a Dados de Envidraçados Figura 4.21 Janela para definição de elemento de envidraçado Figura 4.22 Mensagem de alerta de limite máximo de elementos Figura 4.23 Janela de Dados de Envidraçados com um elemento definido Figura 4.24 Introdução de ficheiro de dados de elementos climáticos modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 14

15 Figura 4.25 Dados de elementos climáticos por introdução de valores Figura 4.26 Dados de elementos climáticos por introdução de valores Radiação Figura 4.27 Dados de elementos climáticos por introdução de valores Temperatura Figura 4.28 Dados de elementos climáticos por leitura de ficheiro Figura 4.29 Mensagem de falta de carregamento do ficheiro climático Figura 4.30 Menu de gráficos gerados pelo programa Figura 4.31 Gráfico Temperatura Tempo gerado pelo programa Figura 4.32 Gráfico Amplitude Térmica Tempo gerado pelo programa Figura 4.33 Gráfico Ceff Tempo gerado pelo programa Figura 4.34 Gráfico Ceff Amplitude Térmica gerado pelo programa Figura 4.35 Comando adicionar elementos Figura 4.36 Comando editar elementos Figura 4.37 Janela de definição de elemento a editar Figura 4.38 Comando eliminar elementos Figura 4.39 Janela de definição de elemento a eliminar Figura 4.40 Comando duplicar elementos Figura 4.41 Janela de definição de elemento a duplicar Figura 4.42 Comando sair Figura 4.43 Comando ajuda Figura 4.44 Aceder aos menus de Ajuda Figura 4.45 Como utilizar a ajuda Figura 4.46 Menu do índice remissivo Figura 4.47 Menu do índice Figura 4.48 Menu de ajuda por palavra-chave Figura 4.49 Ajuda referente a elemento de cobertura Figura 4.50 Ficheiro de dados Figura 4.51 Ficheiro de resultados Figura 5.1 A célula de teste estudada CAT Figura 5.2 Planta, alçados e corte do CAT Figura 5.3 Elementos da envolvente Figura 5.4 Gráfico comparativo entre os valores da temperatura medida e simulada na CAT Figura 5.5 Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (horas) modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 15

16 Figura 5.6 Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (dias) Figura 5.7 Variação do Ceff com a amplitude térmica Figura 5.8 Capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior Figura 5.9 Capacidade térmica efectiva e radiação solar exterior modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 16

17 Índice de Tabelas Tabela 2.1 Valores do consumo de energia para um edifício de qualidade mínima Tabela 2.2 Âmbito da aplicação nos edifícios de habitação Tabela 2.3 Âmbito da aplicação nos edifícios de serviços Tabela 5.1 Coordenadas da CAT Tabela 5.2 Dimensões da CAT Tabela 5.3 Propriedades térmicas dos materiais constituintes da envolvente Tabela 5.4 Coeficientes de convecção, emissividade e coeficiente de absorção dos materiais da envolvente Tabela 5.5 Coeficientes U dos elementos Tabela 5.6 Espessura e coeficiente U do vidro modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios 17

18 CAPÍTULO 1 Introdução 1.1 Enquadramento do trabalho Desde sensivelmente meados da década de 90 do século XX, os computadores passaram a fazer parte da rotina diária de todos aqueles, que de uma forma ou outra, desenvolvem a sua vida pessoal e profissional utilizando as suas infindáveis potencialidades. Pode-se afirmar, sem incorrer em qualquer erro, que nos dias de hoje, nenhuma área de investigação ou de desenvolvimento tecnológico prescinde da utilização, nas suas diversas vertentes, de computadores ou dos seus componentes associados, independentemente da área de aplicação ou dos propósitos e objectivos a alcançar. Mais concretamente na área da Física das Construções, a sua aplicação veio trazer outras formas de encarar problemas, até então de difícil resolução, que exigiam modelos teóricos com grandes dificuldades associadas ao seu cálculo e assim ao seu desenvolvimento e aplicabilidade. É de referir que o trabalho agora proposto surge como a continuação, ou evolução, de um outro trabalho [1] desenvolvido em finais dos anos 80 e estruturado em linguagem de programação Fortran, e que apresentava a simulação da evolução da temperatura interior de um dado espaço nas mesmas condições das agora propostas. Este trabalho surge deste modo como uma evolução, baseado num modelo teórico [2] já testado, tendo como contexto o desenvolvimento dos sistemas operativos e das plataformas de programação, tendo como finalidade contribuir para o aparecimento de um método de cálculo mais simplificado e funcional ao nível do utilizador e, sobretudo, mais consentâneo com a aplicabilidade requerida aos elementos em análise. Foi, dentro desta tendência de evolução, que o mpcte foi desenvolvido, adaptado a sistemas informáticos de uso generalizado onde a interacção entre o utilizador e o programa assume novas formas em termos gráficos e constituindo-se como uma ferramenta de análise qualitativa deveras importante na realidade e contexto actual da análise térmica de edifícios. Para tal foi estruturado recorrendo à linguagem de programação Visual Basic 6.0, o que permitiu acentuar a sua capacidade gráfica sem prejuízo do poder de cálculo necessário. Em termos práticos a utilização deste software não necessita de grandes conhecimentos teóricos para desenvolver acções que conduzam a uma análise rápida e concisa das condições existentes no modelo em estudo, pelo que se torna numa ferramenta de fácil acesso com a vantagem de ser utilizado em qualquer PC de uso generalizado. Recomenda-se como configuração mínima a utilização de um processador capítulo 1 introdução 18

19 Pentium II 250Mhz com 64 MB de memória RAM e uma resolução gráfica de , sob sistema operativo Windows (98, 2000, NT, xp). 1.2 Objectivos do trabalho Até há pouco tempo, a pouca importância atribuída ao estudo térmico dos edifícios, sob o ponto de vista da concepção de espaços e dos diferentes sistemas construtivos, comparativamente com as restantes especialidades envolvidas, constituía a maior dificuldade na obtenção de modelos específicos de análise e desenvolvimento de espaços termicamente confortáveis sob o ponto de vista de projecto. A comparação e interligação dos diversos componentes da envolvente, quer sob o ponto de vista do ambiente físico quer sob o ponto de vista constitutivo dos diversos elementos, revela-se fundamental para conhecermos a capacidade intrínseca de um dado espaço em fornecer o grau de conforto requerido. Neste caso, o estudo dos mecanismos de transferência de calor entre a envolvente e o exterior, bem como a capacidade dos diversos materiais em interagir com as necessidades específicas de cada caso em concreto, revela-se fundamental. A falta de um programa de fácil utilização que permitisse um estudo efectivo e concreto de cada caso foi um passo importante no sentido do aparecimento do mpcte. O desenvolvimento desta nova aplicação de simulação pretende oferecer a possibilidade de um estudo sistemático, numérico e conclusivo quer em termos de análise em fase de projecto quer em termos de estudo de espaços durante a utilização em vida útil de forma a introduzir, se for o caso, as necessárias medidas correctivas. 1.3 Motivação Para quem lida com a indústria da construção no seu dia a dia, quer a nível de projecto quer a nível construtivo, sabe que os problemas associados à falta de condições térmicas de conforto nos espaços podem revelar-se mais cedo ou mais tarde interligados com outro tipo de patologias degenerativas da construção. Neste caso uma avaliação da qualidade global da construção engloba necessariamente uma análise térmica coerente com os restantes elementos. Deste modo, um estudo mais aprofundado e sistemático deste problema poderá, e deverá, traduzir-se num aumento da qualidade efectiva das construções. Deve ser reconhecido que a investigação que é desenvolvida em diversos campos e diversas áreas do conhecimento, não tem tradução directa na sua aplicabilidade prática, ou quando existe, processa-se com um desfasamento considerável. No caso concreto da indústria da construção, o mesmo se passa. Isto sucede devido a muitas e variadas razões, que não importa aqui apontar, mas também pelo facto da transição entre a investigação para a concretização e capítulo 1 introdução 19

20 desenvolvimento dos modelos não ser a mais eficiente. O presente trabalho pretende efectuar essa ponte, de modo a disponibilizar uma ferramenta de investigação e análise simplificada e que possa ser disponibilizada sempre que se verifique necessário, sobretudo aos projectistas e técnicos responsáveis pela avaliação térmica associada à qualidade ambiental. O facto de se poder simular, ainda que de forma parcial, o comportamento de um dado espaço sob o ponto de vista de uma análise evolutiva das temperaturas interiores e da capacidade térmica efectiva da envolvente ao longo de um dado período, poderá permitir uma escolha de soluções construtivas e constitutivas de forma mais consciente e informada, com ganhos evidentes na qualidade final do conjunto. Apesar dos países do Norte da Europa há muito valorizarem as questões relacionadas com o conforto térmico e a escolha das melhores opções construtivas como garante dessa qualidade, os países do Sul só mais recentemente acordaram para uma realidade que se encontra à vista de todos e que diz respeito às despesas relacionadas com os gastos energéticos quer em arrefecimento quer em aquecimento dos espaços. 1.4 Metodologia, organização e estrutura do texto O trabalho apresentado foi orientado através da definição de um modelo contextualizado para a linguagem de programação Visual Basic 6.0, o qual foi estruturado da seguinte forma: Capítulo 1: apresenta um resumo do trabalho onde se indicam os objectivos, a metodologia utilizada bem como a motivação e a forma como o trabalho foi organizado. Capítulo 2: capítulo onde está incluído o enquadramento do trabalho. Apresenta a perspectiva global que serviu de base ao trabalho assim como o conjunto de factos que permitiram o desenvolvimento do modelo no contexto actual da análise térmica dos edifícios. Capítulo 3: apresenta o modelo teórico em que se baseou o trabalho, tal como a perspectiva matemática aplicada ao modelo utilizado. Capítulo 4: mostra a aplicação do modelo num programa de cálculo automático, onde são apresentados os elementos relativos à validação do programa. Esclarecem-se aspectos referentes à concepção e estrutura do programa mpcte, ao nível dos módulos, funções de cálculo e de interface gráfica e onde se procede também à descrição do funcionamento do programa, com a definição detalhada dos elementos necessários, com indicações das várias opções disponíveis, do modo de funcionamento, bem como da forma de apresentação dos resultados. Capítulo 5: é apresentada a validação experimental do programa, por comparação com resultados numéricos retirados da análise concreta de um espaço. São estabelecidas também capítulo 1 introdução 20

21 as várias condições iniciais, e são apresentados os resultados e as bases de comparação. Em termos de apresentação e análise serão sempre apresentados os gráficos representativos de cada caso e em cada situação para uma melhor e mais rápida apreensão pelo utilizador. Nos estudos de comparação serão efectuadas análises relativas aos erros e desvios verificados relativamente às condições padrão e representativas da realidade do caso, para comprovação do rigor e desempenho do programa. Capítulo 6: neste capítulo são apresentadas as conclusões gerais bem como as perspectivas de trabalho futuro, no que respeita ao desenvolvimento do programa. Referências bibliográficas que serviram de base à elaboração do trabalho. Bibliografia consultada durante a elaboração do trabalho. No Anexo A foram colocadas as tabelas referentes à base de dados relativa ao calor armazenado por elementos construtivos típicos dos edifícios de Portugal, em função da amplitude térmica e da energia solar incidente. O Anexo B, devido à sua grande dimensão, foi colocado em CD. Neste anexo está colocada a listagem dos ficheiros de dados, de resultados, e dos códigos do programa bem como um manual de utilização do programa onde se inclui tudo sobre o funcionamento do mesmo à semelhança do descrito no capítulo 4. Neste CD será também disponibilizado o Setup executável para instalação do programa e do respectivo manual de utilização, assim como os ficheiros referentes ao compartimento estudado (CAT1). capítulo 1 introdução 21

22 CAPÍTULO 2 A questão energética associada aos edifícios 2.1 Construção sustentável Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), a população mundial será de 8,5 milhares de milhões de habitantes em 2025 e atingirá os 10,2 milhares de milhões em 2100 [3] sendo que os maiores aumentos de população serão nos países menos favorecidos. A par desta evolução demográfica, está também uma forte urbanização, bastião do desenvolvimento económico e social. Estes factores exercem uma enorme pressão no meio ambiente, visto esgotarem os recursos e aumentarem os resíduos, o que provoca a sobrecarga do biociclo natural e levando à inevitável poluição (Figura 2.1). Este é, infelizmente, um dos problemas com que a humanidade se tem vindo a debater nas últimas décadas, e é claro, que é hoje, muito mais relevante que há alguns séculos atrás, em que a população não ultrapassava os 5 a 10 milhões de habitantes [3]. Torna-se então premente, conseguir que o ciclo natural na origem da vida seja preservado. Figura 2.1 Ciclo da vida [3] Desta forma, têm sido seguidas duas estratégias: melhorar os passos limitantes do ciclo e economizar os recursos. A primeira estratégia envolve políticas de reciclagem, de tratamento de resíduos e eventualmente, num estado já de poluição severa, de remediação. A segunda estratégia envolve o aumento da eficiência dos processos utilizados, para que, o consumo de recursos seja minimizado. Importa realçar que esta abordagem traz importantes benefícios económicos. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 22

23 A aplicação desta estratégia tem sido possível com o aperfeiçoamento tecnológico, sendo exemplo disto, as importantes reestruturações de que foi, e tem sido alvo, a indústria a partir dos anos 80, e que permitiu diminuir o consumo de energia, de um rácio de 40% do total consumido na UE nos anos 80, para apenas 28% do total da energia consumida actualmente [3]. É também vital a sensibilização dos cidadãos para esta problemática, contribuindo com isso para desmistificar a ideia de que o bem-estar está relacionado com o esbanjamento de recursos. Na área da construção, o fascínio pela técnica e a inconsciência da esgotabilidade dos recursos, conduziram a que, as boas práticas ancestrais fossem sendo esquecidas, talvez por se pensar que a tecnologia poderia resolver todos os problemas. Entrou-se então numa época, em que, grande parte dos princípios básicos de construção, foram sendo substituídos por interesses económicos ou estéticos, e onde foi necessário, para suplantar o desconforto causado, introduzir soluções tecnológicas, tais como sistemas de iluminação e climatização artificiais. Isto levou a que, os consumos energéticos dos edifícios, sobretudo em energia eléctrica, aumentassem de forma exagerada, consumos totalmente desnecessários que poderiam ser diminuídos ou mesmo eliminados seguindo outras vias. Ora esta realidade, só começou a ser um problema, quando se começou a falar não só da escassez de combustíveis fósseis, mas também do aquecimento global, provocado em grande parte pela emissão de gases de efeito de estufa como o CO 2. As emissões em massa deste gás, resultantes essencialmente da queima de combustíveis fósseis, quer nas centrais termoeléctricas para produção de energia eléctrica, quer nos meios de transporte, são uma carga para o ciclo do carbono. Como consequência o CO 2 acumula-se na atmosfera, contribuindo assim para a retenção da radiação solar na Terra e consequentemente para o seu aquecimento global. Por este motivo, e desde que se tomou consciência deste problema, esforços têm sido feitos para diminuir este tipo de emissões, nomeadamente através do protocolo de Quioto, quer no sector dos transportes, quer no sector da indústria bem como no dos edifícios! Cerca de 50% dos recursos materiais retirados da natureza e 50% dos resíduos produzidos em cada país, estão relacionados com o sector da construção [3]. Em paralelo, cerca de 40% do consumo de energia na Europa está relacionado com os gastos em edifícios [3]. Por estes motivos, e por existirem soluções que minimizam estes desperdícios, o sector da construção tem potencial para evoluir no sentido de adoptar e favorecer medidas que minimizem os gastos energéticos e os impactos ambientais no meio ambiente de forma a promover um capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 23

24 urbanismo sustentável. Quando, no início dos anos oitenta, se começou a introduzir o vidro duplo em Portugal, verificou-se a existência de alguma resistência, por parte de alguns sectores, a esse lançamento. Hoje o vidro duplo é um material usado de forma generalizada, como acontece também com o isolamento térmico, que era praticamente inexistente até então na construção do século XX. Mas o uso de novos materiais e tecnologias não basta. Alias, há hoje materiais e tecnologias no mercado, cujo uso, sem um juízo acerca do seu comportamento térmico em obra, conduz geralmente a erros graves. Faltam duas coisas: (sempre) cultura tecnológica, nomeadamente dos profissionais que lidam com os produtos tecnológicos, e uma prática regulamentar que oriente e discipline a actividade da construção, certamente a mais autóctone das actividades industriais [4]. Um edifício pode ser considerado como verdadeiramente funcional quando a sua construção se interliga com uma aproximação sensível e consciente às questões energéticas, assim como a variadas outras situações (qualidade de vida, saúde, aspectos sociais, etc). É necessário por isso, a criação de novas soluções arquitectónicas e de ferramentas técnicas que ofereçam resposta a todo este conjunto de especificações. Uma boa arquitectura tem de preencher necessariamente muitos requisitos, e uma aproximação sensível e consciente às questões energéticas é seguramente uma delas. Alguns edifícios, no entanto, assemelham-se mais a máquinas energéticas que a propriamente edifícios, uma vez que o objectivo da poupança de energia é muitas vezes negligenciado. Forma, Função e Construção Estes são os três critérios regulares utilizados para avaliar a qualidade arquitectónica de um edifício. Não existe a necessidade da criação de um outro critério intitulado Consumo de Energia uma vez que este se encontra incorporado no critério Função. Os edifícios que apresentam deficiências no relacionamento com questões de consumo de energia, possuem invariavelmente falta de funcionalidade, sendo incapazes de responder favoravelmente às necessidades dos seus ocupantes. A cada dia, os novos edifícios estão a tornar-se elementos cada vez mais complexos, devido ao aumento generalizado de novos materiais, tecnologias e métodos de construção. A quantidade de substâncias e materiais utilizados na indústria da construção tem aumentado de forma exponencial no último século, sendo que a arquitectura tem procurado constantemente a aplicação prática das inovações na concretização de novos projectos de edifícios. Nascem por isso diariamente, numerosos desafios relacionados com esta nova complexidade e diversidade. Para cada era arquitectónica pode ser observado uma relevância que, no actual capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 24

25 momento, se centra na questão do desenvolvimento sustentado. Esta procura verifica-se para soluções sistemáticas o que muitas vezes conduz a conflitos na realização de programas concretos de desenvolvimento. Todo o conceito de sustentabilidade requer uma aproximação sistemática e metódica. Os pré-requisitos básicos para os edifícios sustentáveis são um longo período de ocupação e um prolongado uso de todos os sistemas associados. É o caso, por exemplo, da comparação entre passar o máximo de tempo de ocupação possível numa habitação em que o seu funcionamento requer baixos níveis de energia, assim como baixos custos de manutenção, e alguns edifícios, com baixos índices de conforto térmico, e que necessitam de uma renovação total do seu conceito funcional. Um edifício sustentável deverá ter uma capacidade funcional de pelo menos um século [5]. Em termos de síntese refira-se que, a sustentabilidade na construção passa por três medidas essenciais: em primeiro lugar, a melhoria dos projectos em termos de eficiência energética, diminuindo as suas necessidades em iluminação, ventilação e climatização artificiais; em segundo lugar, a substituição do consumo de energia convencional por energia renovável, não poluente e gratuita; e finalmente, em terceiro lugar, a utilização de materiais locais, preferencialmente materiais de fontes renováveis ou com possibilidade de reutilização e que minimizem o impacto ambiental (extracção, gastos de energia, consumo de água na sua extracção, aspectos de saúde, emissões poluentes etc.). É também de notar, que a construção sustentável pode ainda adoptar outras medidas, como sistemas de tratamento de resíduos orgânicos, sistemas de reaproveitamento de água e outros que não vão ser abordados por não estarem no âmbito deste trabalho. 2.2 O comportamento energético dos edifícios O trabalho desenvolvido tem como linha de orientação os aspectos relacionados com o comportamento energético dos edifícios nas suas diversas vertentes. A União Europeia, no seu Plano de Acção para as questões energéticas [6], considera de fundamental relevância a vertente da poupança de energia em edifícios, sublinhando que o potencial nesta área é enorme. De facto, a indústria da construção, indica estimativas de poupança na ordem dos 10% a 25% em edifícios antigos, através da implementação de medidas como o isolamento térmico melhorado, sistemas de revestimento, de iluminação e de controlo mais eficientes [7]. O potencial é consideravelmente superior para os edifícios novos. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 25

26 Em termos de energia, o consumo no sector dos edifícios representa 22% da energia final consumida em Portugal [7]. Apesar de longe dos 40% da média comunitária, este consumo tem aumentado de forma preocupante a uma taxa de 7.5% ao ano [7], tendo na última década o consumo de energia nos edifícios aumentado 30% [7]. Este número corresponde a um consumo de energia (e consequente emissão de CO 2 ) equivalente a 3.5 milhões de toneladas de petróleo [7]. O comportamento energético dos edifícios urbanos torna-se, deste modo, um alvo de análise e de intervenção prioritário. Neste momento, os gastos com energia superam largamente a energia poupada nos edifícios existentes, onde as despesas com a produção de energia e manutenção são maiores do que toda a poupança efectuada ao longo do período de ocupação [5]. A título de exemplo, mostra-se na tabela 2.1 os consumos energéticos médios de dois tipos comuns de unidades residenciais portuguesas: um apartamento e uma moradia [8]. Através da análise dos valores tabelados, verifica-se que os consumos energéticos são substancialmente elevados, principalmente no que se refere à estação de aquecimento. De referir que os consumos na estação de arrefecimento, apesar de baixos em valor absoluto, são também exagerados dado que o clima português não exige, na maior parte das situações, qualquer sistema para assegurar as necessárias condições de conforto estival. A análise dos valores tabelados permite concluir que existe um elevado potencial de redução de consumos energéticos nos edifícios portugueses. Tabela 2.1 Valores do consumo de energia para um edifício de qualidade mínima Zona Climática Consumo de energia (kwh/m 2 ano) Apartamento (100m 2 ) Moradia (210m 2 ) Inverno Aquecimento I I I Verão Arrefecimento V V V Para reduzir os consumos energéticos nos edifícios pode-se intervir a vários níveis, pois são vários os factores que interferem no seu comportamento térmico como brevemente se referem no ponto seguinte. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 26

27 2.3 Factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios De entre os diversos factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios, destacamse sobretudo os relacionados com a localização, orientação e os materiais utilizados na definição da envolvente. A figura 2.2 além de mostrar a discrepância entre as necessidades de aquecimento para cada uma das zonas climáticas, realça a importância da escolha da zona em detrimento do nível ou espessura de isolamento que se possa incluir na habitação. Verifica-se perfeitamente, que a partir de determinado ponto, o aumento da espessura do isolamento não tem tradução directa na diminuição dos gastos com o aquecimento. Figura 2.2 Influência da zona climática de implantação dos edifícios nas suas necessidades energéticas, em função do nível de isolamento [8] Quanto à orientação do edifício, o mais importante a ter em conta é a exposição solar. Normalmente é importante ter um edifício com a maior fachada voltada a Sul para receber o máximo de energia possível, tendo no entanto sombreamentos programados para o Verão. A orientação do edifício deve também contar com os ventos dominantes e a sua influência na ventilação natural e infiltrações. Existem ainda outras particularidades interessantes, tal como a orientação das diferentes divisões de uma casa de forma a proporcionar o ambiente mais adequada à sua função. Por exemplo, a biblioteca deve estar orientada com uma forte componente Norte, visto ser um local em que habitualmente se pretende uma atmosfera fresca e seca, enquanto que a cozinha deve estar orientada com uma forte componente Sul, visto ser esse um local onde uma temperatura elevada é mais habitual. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 27

28 Através da análise da figura 2.3 constata-se que as necessidades de arrefecimento e sobretudo de aquecimento advêm especialmente da escolha da orientação do edifício. Esta figura mostra que um edifício com a maior fachada orientada a nascente/poente apresenta mais do dobro das necessidades energéticas do mesmo edifício com uma orientação Norte/Sul. Para além disso, é também evidente que, mais de 80% das necessidades energéticas do edifício são necessidades de aquecimento. Figura 2.3 Influência da forma nas necessidades energéticas em função da orientação [8] A presença ou não de massa de armazenamento térmico é outro factor a ter em conta. De facto, a massa térmica é responsável pelo atraso entre o fornecimento de calor e o aumento da temperatura no interior do edifício. Este fenómeno pode ser explorado a diferentes níveis, nomeadamente em associação com um correcto isolamento térmico e ventilação. Numa base diária, durante o Inverno, uma massa térmica estudada leva a que a energia recebida durante o dia se manifeste no interior durante a noite. No Verão a função é idêntica mas o calor pode ser libertado durante a noite para o exterior usando ventilação. Também é possível este funcionamento em escalas de tempo mais elevadas, mas apenas massas térmicas enormes seriam capazes de tal proeza. Generalizando, materiais de construção com massas elevadas comportam-se como massas térmicas eficazes. Em Portugal, este é um factor essencial, visto que o maior problema de climas quentes é o calor. Consequentemente, uma das preocupações ao construir edifícios, é prever mecanismos que consigam evitar a entrada excessiva de calor e que consigam dissipar o calor que entra. Como tal, uma massa térmica elevada, associada a isolamento (preferencialmente externo) capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 28

29 deve ser uma estratégia na construção em Portugal para preservar uma temperatura fresca durante o dia e apenas permitir libertação de calor à noite, altura em que se pode utilizar a ventilação nocturna para dissipar esse calor. Esta ventilação nocturna pode ser assegurada por diversos mecanismos sofisticados mas funciona também a partir de uma das técnicas mais antigas e conhecidas: o abrir das janelas durante a noite! Através da análise da figura 2.4 pode-se verificar que quanto maior for a inércia menor são as necessidades requeridas para aquecimento. De facto, observa-se que, mesmo para um baixo nível de isolamento, se consegue, através de uma inércia forte, uma maior redução das necessidades energéticas de aquecimento em contraponto com uma fraca inércia mesmo que inerente a um elevado nível de isolamento dos elementos. Figura 2.4 Influência do tipo de inércia em função do nível de isolamento dos elementos [8] Quanto ao isolamento, este previne a transferência de calor por condução entre o interior e o exterior do edifício. Esta razão faz do isolamento uma característica essencial tanto no Verão como no Inverno. Por exemplo, é corrente na indústria de construção que, as pontes térmicas, devem ser evitadas tanto quanto possível, visto que podem constituir a fonte de até 30% das perdas de calor do edifício [3] (Figura 2.5). A preocupação com o isolamento deve ser considerada tanto a nível das superfícies opacas, como também a nível das áreas envidraçadas, visto ser esse um dos principais pontos de absorção e perda de radiação solar, tanto no Verão como no Inverno. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 29

30 Figura 2.5 Exemplo de um programa de modelação que permite calcular as pontes térmicas [3] Em termos de reabilitação urbana, é possível, e bastante exequível, embora com alguns custos, a reabilitação de um edifício em termos de isolamento térmico, pelo exterior. O grande problema desta técnica é a possibilidade de vandalismo nos andares térreos e/ou acessíveis pelo exterior do edifício visto que não é muito resistente. Esta técnica deve ser implementada com o cuidado necessário de forma a não permitir a perda de calor pelo solo, e a deterioração da instalação nas esquinas dos edifícios. Mesmo em edifícios novos esta técnica pode ser vantajosa pelo facto de eliminar pontes térmicas nos revestimentos dos edifícios. Pela análise da figura 2.6 pode-se constatar que a definição da localização do isolamento sobrepõe-se, em termos de resultados qualitativos, ao tipo de definição física da parede. Além disso, verifica-se que são as paredes com isolamento pelo exterior (11+11 ext e ext) que se destacam pela positiva no que se refere a necessidades energéticas de edifícios que as integrem. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 30

31 Figura 2.6 Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de parede, em função do seu isolamento [8] A figura 2.7 reflecte que a escolha dos materiais de fenestração terá de ser avaliado sob um ponto de vista qualitativo global em termos de capacidade de transmissão térmica. De facto, quanto mais baixo for o coeficiente de perdas do conjunto, melhor será o seu comportamento, pelo que a análise do elemento, neste caso um envidraçado, terá ser efectuada no âmbito do seu comportamento enquanto um todo. Figura 2.7 Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de envidraçado, em função do tipo de caixilharia [8] Todos estes factores não devem, no entanto, ser encarados individual e isoladamente. Só faz sentido actuar em cada um numa perspectiva global, que encare a questão energética de uma capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 31

32 forma mais abrangente como é o caso, por exemplo, dos conceitos inerentes à Arquitectura Bioclimática. 2.4 Arquitectura Bioclimática conceitos para um edifício sustentável Um dos factores chave para um design passivo eficaz e eficiente é a compreensão de que não existe uma solução óptima e aplicável a todas as situações, mas sim, inúmeros mecanismos que devem ser seleccionados no sentido de se encontrar uma solução adequada para determinado local. Alguns dos factores que podem afectar esta escolha são o facto de o edifício ser urbano ou rural, se está localizado numa montanha ou numa planície, a quantidade de radiação solar recebida diariamente, etc. O primeiro passo para se desenvolver uma estratégia de Arquitectura Bioclimática, consiste em começar por estudar as características climáticas do local onde se pretende implantar a habitação, seguindo esse estudo por uma análise de quais as localizações específicas que se adaptam a uma utilização eficaz em termos de factores de conforto humano ( bioclimatic chart ). De seguida devem ser considerados factores técnicos associados a diversas vertentes, como orientação, cálculos de sombreamento, forma da habitação, movimentos do ar e avaliação das temperaturas internas. Finalmente, deve ser realizado um projecto arquitectónico, recorrendo a modelos de simulação idênticos ao apresentado neste trabalho, e que aproveite os resultados das fases anteriores de forma a contribuir com o plano de uma habitação bioclimática. Este método foca as particularidades regionais em termos de clima e às vezes mesmo de microclima inerentes a cada construção. Como tal, cada projecto bioclimático deve ser analisado isoladamente. Esta questão da envolvente é crucial no que respeita à Arquitectura Bioclimática, o que significa que já não basta a um arquitecto criar um projecto esteticamente bem conseguido e integrado com a envolvente urbanística, sendo necessário uma completa integração com o meio ambiente (efeitos dos edifícios envolventes em termos de exposição solar e ventos, radiação solar recebida ao longo do ano, etc) Soluções para arrefecimento no Verão Este tema é de fundamental importância para Portugal porque reduziria ou eliminaria grande parte das necessidades energéticas de arrefecimento por ar condicionado e consequentemente reduziria em muito as necessidades energéticas dos edifícios além de que traria enormes benefícios em termos de conforto e ambientais. capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios 32