Influência dos elementos de obstrução no desempenho térmico da parede de Trombe

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1 Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro Escola de Ciências e Tecnologias Departamento de Engenharias Influência dos elementos de obstrução no desempenho térmico da parede de Trombe 2014 João Filipe dos Santos Alves

2 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 2

3 Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro Escola de Ciências e Tecnologias Departamento de Engenharias Influência dos elementos de obstrução no desempenho térmico da parede de Trombe 2014 João Filipe dos Santos Alves Orientadora: Professora Ana Cristina Briga de Sá Saldanha Coorientadora: Professora Anabela Gonçalves Correia de Paiva Dissertação apresentada na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil 3

4 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 4

5 AGRADECIMENTOS Com a conclusão deste trabalho agradeço a todos os que me ajudaram a realizá-lo de uma forma sincera e amiga. Agradeço às minhas orientadoras Professora Doutora Ana Sá e Professora Doutora Anabela Paiva pela compreensão e auxílio prestados durante a realização desta dissertação assim como a oportunidade de realizar este trabalho no seguimento de outros anteriores. À Universidade de Trás-Os-Montes e Alto Douro pela oportunidade de realizar um trabalho experimental deste tipo. Ao Professor Doutor José Boaventura da Cunha pela ajuda prestada na aquisição e tratamento dos dados obtidos no trabalho experimental. Aos colaboradores do laboratório de engenharia civil da UTAD pela ajuda prestada e pela cedência de equipamentos. Aos meus colegas e amigos por todo o apoio prestado. À Teresa, Sara e aos meus pais que sempre me motivaram para que tudo corresse da melhor forma. Sem eles nada disto seria possível. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. i

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7 RESUMO No final do século XX e início do século XXI começou a aumentar a preocupação com a preservação do meio ambiente, tentando encontrar-se formas mais sustentáveis para aquecimento e arrefecimento dos edifícios. A parede de Trombe, sistema solar passivo de ganho indireto, é uma solução sustentável, na medida em que permite potencializar o ganho de energia solar para aquecimento sem consumo de energia para o seu funcionamento. Este sistema ainda não é muito utilizado em Portugal, dado o reduzido conhecimento ao nível do seu desempenho térmico e do processo construtivo por parte dos diversos intervenientes na construção. A parede de Trombe é bastante eficiente no que diz respeito ao seu contributo para o aquecimento dos edifícios durante o inverno. Durante o verão, existe uma necessidade de sombrear este sistema de forma a impedir o sobreaquecimento do ambiente interior. Importa pois estudar a influência de dispositivos de oclusão e sombreamento no comportamento térmico dos edifícios. De forma a contribuir para o conhecimento da influência de diferentes tipos de obstrução no comportamento térmico da parede de Trombe, apresenta-se neste trabalho um estudo sobre a influência de alguns sistemas de obstrução no desempenho térmico deste sistema construtivo. Este estudo foi realizado numa célula de teste localizada na U.T.A.D. em Vila Real. Os resultados obtidos são relativos às temperaturas no exterior e interior da célula de teste, às temperaturas em vários pontos no interior da caixa-de-ar e na parede acumuladora. Para esta análise experimental foram utilizados como dispositivos de sombreamento/oclusão a persiana exterior, palas horizontais, palas verticais e sombreamento vegetal. Todos estes dispositivos foram analisados e testados de forma isolada sem combinações entre eles. Concluiu-se depois da análise dos resultados dos diferentes cenários que as palas horizontais e verticais deviam ter sido aplicadas em conjunto, pois o seu sombreamento isolado não foi suficiente. Concluiuse também que o sistema de oclusão com persiana permite diminuir os ganhos térmicos quando se encontra ativa em alturas em que a temperatura exterior é superior à interior. Quanto ao sistema de sombreamento com vegetação concluiu-se este não era suficientemente denso para permitir uma boa área de sombra, como tal a temperatura registada no interior foi superior à temperatura de conforto. PALAVRAS-CHAVE Parede de Trombe, estudo experimental, sombreamento, elementos de obstrução, desempenho térmico, construção sustentável. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. iii

8 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. iv

9 Influence of obstruction elements in the thermal performance of the Trombe wall ABSTRACT At the end of the twentieth and early twenty-first century the concern with the preservation of the environment began to raise, leaning to find more sustainable ways for heating and cooling the buildings. The Trombe wall, passive solar system with indirect gain, is a sustainable system that s not yet widely used in Portugal due to the lack of knowledge by the thermal performance and construction processes. The Trombe wall is very efficient with regard to its contribution to heat buildings during the winter. During the summer there s a need for shading the system to prevent overheating the interior environment. It s therefore important to study the influence of occlusion and shading on the thermal behavior of buildings devices. In order to contribute to the knowledge of the influence that different types of shading make in the Trombe wall thermal behavior, this paper presents a study on the influence of some obstruction systems in the thermal performance of this type of wall. This study was conducted in a test cell at U.T.A.D. located in Vila Real and it was built to perform other work and served as the basis for this paper. The results obtained are relative to the temperatures inside and outside of the test cell at various points within the air-box and the inside wall of the accumulator. For this analysis were used as experimental shading and occlusion devices such as shutter sliding, overhangs, vertical tabs and plant shading. All these devices were analyzed and tested in isolation without combinations thereof. It was concluded after analyzing the results of different scenarios that horizontal and vertical flaps should have been applied together, because their shade alone was not enough. It was also concluded that the system with blind occlusion reduced losses to the outside when the outdoor temperature is lower than the interior. Regarding the shading system with vegetation was concluded that the plants used were not sufficient to form a good shady area, and consequently the temperatures recorded inside were high. KEYWORDS Trombe wall, experimental study, shading, thermal performance, obstruction elements, sustainable construction. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. v

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11 ÍNDICE GERAL Agradecimentos... i Resumo... iii Abstract... v Índice geral... i Índice... iii Índice de Figuras... v Índice de Gráficos... vii 1 - Introdução Parede de Trombe Metodologia Experimental Análise de resultados Conclusões e trabalho futuro Referências Bibliográficas Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. i

12 ii Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

13 ÍNDICE 1 - Introdução Enquadramento Objetivos Organização do trabalho Parede de Trombe Introdução Caracterização e funcionamento geral Influência dos elementos de obstrução e de sombreamento Conclusões Metodologia Experimental Introdução Caracterização da célula de teste Caracterização dos cenários Cenário 1 Persiana exterior Cenário 2 Palas horizontais Cenário 2 A Cenário 2 B Cenário 3 Palas verticais Cenário 3 A Cenário 3 B Cenário 4 Sombreamento vegetal Conclusões Análise de resultados Introdução Cenário Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. iii

14 4.3 Cenário Cenário 2 A Cenário 2 B Cenário Cenário 3 A Cenário 3 B Cenário Conclusões Conclusões e trabalho futuro Conclusões Trabalho futuro iv Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

15 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Parede de Trombe clássica Figura 2 Abertura e fecho dos orifícios de ventilação durante o período diurno e noturno no Inverno Figura 3 - Posição do sol no inverno e no verão Figura 4 - Parede de Trombe não ventilada Figura 5 - Parede de Trombe com água Figura 6 - Parede de Trombe em ZigZag Figura 7 - Exemplo da aplicação de um sistema de sombreamento Figura 8 - Vista exterior da parede de Trombe Figura 9 - Alçado sul da célula de teste (direita) e da sala de referência (esquerda) Figura 10 - Posição do sol no verão e no inverno Figura 11 - Sombreamento provocado pela vegetação Figura 12 - Utilização de vegetação em fachadas de edifícios Figura 13 - Exemplo da utilização de vegetação para o sombreamento de envidraçados Figura 14 - Exterior da célula de teste Figura 15 - Interior da célula de teste Figura 16 - Alçado e corte da parede de Trombe estudada Figura 17 - Designação e localização dos sensores na parede de Trombe Figura 18 - Proteção solar exterior ativa Figura 19 - Pala horizontal A Figura 20 - Pala horizontal A: a) Planta; b) Corte AA' Figura 21 - Pala horizontal B: a) Planta; b)corte BB' Figura 22 Pala horizontal B ativa, vista a) e b) Figura 23- Pala vertical colocada a poente: a) Planta; b) Corte DD' Figura 24 - Pala vertical A Figura 25 - Pala vertical B Figura 26 - Planta vertical B Figura 27 - Estrutura de suporte para a vegetação Figura 28 - Sombreamento vegetal visto em alçado Figura 29 - Sombreamento vegetal Figura 30 - Sombra provocada pela pala horizontal B Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. v

16 vi Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

17 ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Diferença do valor grau-hora entre os dois ensaios anteriores Gráfico 2 Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (cenário1) Gráfico 3 Variação da temperatura na caixa-de-ar: Tca1 (temperatura na base); Tca2 (temperatura no topo); 1-persiana fechada; 0-persiana aberta (cenário 1) Gráfico 4 - Temperaturas superficiais da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar; 1- persiana fechada; 0-persiana aberta (Cenário 1) Gráfico 5 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora: Tsup2 (temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar); Tip (temperatura no interior da parede acumuladora); Tsup5 (temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior da célula de teste (Cenário 1) Gráfico 6 Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 1) Gráfico 7 Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (cenário2a) Gráfico 8 Variação da temperatura na caixa-de-ar: Tca1 (temperatura na base); Tca2 (temperatura no topo); Te (temperatura exterior) (Cenário 2a) Gráfico 9 Variação da temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixade-ar (Cenário 2a) Gráfico 10 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora: Tsup2 (temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar); Tip (temperatura no interior da parede acumuladora); Tsup5 (temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior da célula de teste (Cenário 2a) Gráfico 11 Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 2a) Gráfico 12- Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (cenário 2b) Gráfico 13 Variação da temperatura na caixa-de-ar:tca1 (temperatura na base);tca2 (temperatura no topo); Te (temperatura exterior) (Cenário 2b) Gráfico 14 - Temperaturas superficiais da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar (Cenário 2b) Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. vii

18 Gráfico 15 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora: Tsup2 (temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar); Tip (temperatura no interior da parede acumuladora); Tsup5 (temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior da célula de teste (Cenário 2b) Gráfico 16 Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 2b) Gráfico 17 Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (Cenário 3a) Gráfico 18 Variação da temperatura na caixa-de-ar: Tca1 (temperatura na base); Tca2 (temperatura no topo); Te (temperatura exterior) (Cenário 3a) Gráfico 19 - Temperaturas superficiais da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar (Cenário 3a) Gráfico 20 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora: Tsup2 (temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar); Tip (temperatura no interior da parede acumuladora); Tsup5 (temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior da célula de teste) (Cenário 3a) Gráfico 21- Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 3a) Gráfico 22 - Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (Cenário 3b) Gráfico 23 - Variação da temperatura na caixa-de-ar: Tca1 (temperatura na base); Tca2 (temperatura no topo); Te (temperatura exterior) (Cenário 3b) Gráfico 24 - Temperaturas superficiais da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar (Cenário 3b) Gráfico 25 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora: Tsup2 (temperatura superficial da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar); Tip (temperatura no interior da parede acumuladora); Tsup5 (temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior da célula de teste) (Cenário 3b) Gráfico 26 - Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 3b) Gráfico 27 - Variação da temperatura exterior (Te) e da intensidade de radiação solar (RS) (Cenário 4) viii Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

19 Gráfico 28 - Variação da temperatura na caixa-de-ar: Tca1 (temperatura na base); Tca2 (temperatura no topo); Te (temperatura exterior) (Cenário 4) Gráfico 29 - Temperaturas superficiais da parede acumuladora no interior da caixa-de-ar cenário Gráfico 30 - Transmissão da temperatura através da parede acumuladora cenário Gráfico 31 - Variação da temperatura interior (Ti) e da temperatura exterior (Te) (Cenário 4) Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. ix

20 x Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

21 Capítulo 1 Introdução Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. xi

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23 1 - INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento O aumento do consumo de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) e energia elétrica provocado pela intensificação da atividade humana tem contribuído para o aumento das emissões de gases de efeito de estufa, nomeadamente de CO2, e consequentemente para o aquecimento global [1]. Os países industrializados são responsáveis por grande parte das emissões de CO2 para a atmosfera. Os EUA são o país que apresenta maior contribuição para o efeito de estufa, seguidos pela grandes potenciais mundiais como a China e a Rússia. A emissão de gases do efeito estufa em Portugal é da ordem de t CO2eq [2], comparando com o resto da Europa e do mundo é um valor pequeno, sendo que a Alemanha emite t CO2eq [2] e a frança t CO 2 eq [2]. Para minimizar este impacto negativo no meio ambiente é necessário implementar medidas de redução do consumo de energia já que esta está associada às diversas atividades que caracterizam a sociedade moderna. A indústria da construção civil é um dos sectores de atividade que mais contribui para o aumento das emissões de CO2 devido ao elevado consumo de energia nas suas diferentes fases. O sector dos edifícios é um dos principais responsáveis pelo elevado consumo energético a nível mundial, sendo portanto um dos sectores onde se deverá atuar para reduzir o consumo de energia e implementar comportamentos de utilização racional de energia. Um edifício energeticamente eficiente permite uma otimização dos gastos energéticos, nomeadamente em sistemas de climatização, tornando os espaços mais confortáveis e reduzindo a fatura energética, quer em gás quer em eletricidade. Um fator importante na obtenção dessa eficiência é o recurso a energias renováveis, nomeadamente a energia solar. O aproveitamento desta fonte de energia renovável pode ser feito recorrendo, quer a sistemas ativos, como é o caso dos painéis solares e fotovoltaicos, ou a sistemas passivos. Os sistemas passivos são integrados nas soluções construtivas da envolvente dos edifícios e desempenham o papel de coletores solares e acumuladores de energia que posteriormente transferem o calor para o interior do edifício. Estes sistemas podem ser divididos em sistemas passivos de aquecimento e de arrefecimento. Os sistemas solares passivos de aquecimento podem, por sua vez, ser divididos em sistemas de ganho direto, ganho indireto e ganho isolado. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 1

24 Os ganhos diretos podem ser obtidos sempre que o edifício possua um envidraçado corretamente orientado, permitindo que a absorção, o armazenamento e a libertação de calor seja feita no próprio compartimento. Nas soluções de ganho indireto, a absorção da energia efetua-se através de uma parede acumuladora situada entre o elemento de ganho e o espaço a aquecer. A radiação absorvida pelo elemento acumulador transforma-se em energia térmica sendo conduzida para o interior do edifício [3]. No que diz respeito aos sistemas de ganho isolado, a captação dos ganhos solares e o armazenamento da energia capada não se encontram nas áreas ocupadas dos edifícios, mas sim em, por exemplo, estufas e coletores de ar, isto é, funcionam independentemente do edifício. Os sistemas passivos de arrefecimento permitem tirar partido de fontes frias que possibilitem o arrefecimento do edifício. O recurso a ventilação natural, arrefecimento pelo solo, arrefecimento evaporativo, proteções solares e coletores de ar são exemplos deste tipo de sistemas [4]. A integração dos sistemas passivos num edifício constitui uma forma de aumentar a sua eficiência energética, pois permite reduzir o consumo de energia para aquecimento e arrefecimento não implicando custos de utilização. A utilização deste tipo de sistemas é ainda pouco significativa, principalmente no que respeita à utilização de sistemas de ganho indireto e isolado. Os sistemas passivos mais comuns são os de ganho direto [4]. A parede de Trombe é um sistema solar passivo de ganho indireto cuja aplicação é ainda pouco significativa, principalmente em Portugal, mas que já começa a ser aplicada noutros países, nomeadamente França, Itália e China. Este sistema é um sistema passivo de aquecimento, mas que também pode contribuir para o arrefecimento dos edifícios. A sua integração no edifício pode contribuir para aumentar o desempenho térmico destes e aumentar assim a sua eficiência energética, desde que seja corretamente dimensionado e adaptado às condições climáticas do local e ao tipo de utilização do edifício. Neste sentido é extremamente importante prosseguir com os estudos e caracterização do comportamento térmico deste sistema passivo. 2 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

25 1.2 Objetivos Pretende-se com este trabalho contribuir para o aumento do conhecimento nesta área, mais concretamente através do estudo da influência de dispositivos de oclusão e sombreamento no desempenho térmico da Parede de Trombe, durante a estação de aquecimento e arrefecimento. 1.3 Organização do trabalho Para além deste capítulo, este trabalho está estruturado em mais 4 capítulos. No capítulo 1, Introdução, apresenta-se o enquadramento deste trabalho bem como os seus objetivos e organização. Em seguida, no capítulo 2, Parede de Trombe, apresenta-se a caracterização e funcionamento da parede de Trombe, referindo-se ainda a sua evolução ao longo do tempo. É efetuado o levantamento do estado da arte no que respeita aos estudos realizados sobre os sistemas de sombreamento/obstrução e sua influência no desempenho térmico dos edifícios. No capítulo 3, apresenta-se a metodologia experimental utilizada para analisar o efeito de diferentes tipos de dispositivos de oclusão e de sombreamento no desempenho térmico da parede de Trombe. São caracterizados os cenários de estudo para recolha de dados, que materiais e que tipo de sombreamentos foram utilizado e os diferentes cenários de estudo que se criaram de forma a estudar cada um dos sistemas de forma isolada a fim de se perceber a influência de cada um, no comportamento térmico da célula de teste. No capítulo 4 apresenta-se a análise dos resultados obtido nos diferentes ensaios realizados. No capítulo 5 são apresentadas as principais conclusões do trabalho desenvolvido e algumas propostas de trabalho futuro. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 3

26 4 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

27 Capítulo 2 Parede de Trombe Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 5

28 6 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

29 2 PAREDE DE TROMBE 2.1 Introdução O conceito de parede de Trombe foi aplicado em França pelo Engenheiro Félix Trombe, na década 60, tornando-a conhecida como um sistema de aquecimento passivo. Esta ideia já tinha sido patenteada em 1881 por Edward Morse, como sendo uma parede de massa térmica elevada [3]. Vários estudos têm sido desenvolvidos no sentido de contribuir para um melhor conhecimento do seu desempenho térmico e sua otimização. Neste capítulo, será apresentada, numa primeira fase, uma breve caracterização da parede de Trombe, bem como a descrição do seu funcionamento. Posteriormente serão apresentados alguns dos trabalhos mais significativos desenvolvidos nesta área que focam a influência dos sombreamentos e/ou dispositivos de oclusão no desempenho térmico do sistema. 2.2 Caracterização e funcionamento geral A parede de Trombe é um sistema que permite aumentar os ganhos térmicos da envolvente do edifício, pois a energia proveniente da radiação solar é absorvida, armazenada e conduzida por convecção, condução e radiação para o interior do edifício, sempre que a temperatura no ambiente exterior é superior à existente no interior do edifício. Esta propriedade demonstra o carácter passivo do sistema, na medida em que opera de forma autónoma sem gasto de energia e portanto, sem custos associados ao seu funcionamento excetuando os relativos à sua construção. De acordo com o conceito clássico da parede de Trombe, este sistema é constituído por uma parede acumuladora cujo material deve apresentar elevada capacidade de armazenamento térmico devendo a sua superfície exterior ser pintada de cor escura para potenciar a absorção de calor. Pelo lado exterior é colocado um envidraçado, separado da parede acumuladora através de uma caixa-de-ar. O calor que atravessa o envidraçado será acumulado na caixa-dear através do efeito de estufa criado, absorvido pela parede acumuladora e transferido gradualmente para o interior do edifício [3]. A conceção clássica deste sistema prevê ainda a existência de aberturas na parede acumuladora, o que permite aumentar o fluxo de calor através da convecção do ar. É ainda de extrema importância a existência de dispositivos de obstrução e ou oclusão que permitam Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 7

30 otimizar o sistema em situação de sobreaquecimento no verão e de perdas de calor durante os períodos noturnos de inverno. Estes elementos são essenciais no desempenho térmico da parede de Trombe, principalmente em países como Portugal, com elevada intensidade da radiação solar e grandes amplitudes térmicas diurnas e anuais em diversas regiões do país. Neste contexto, o estudo de Paredes de Trombe é essencial para incentivar a sua utilização nos edifícios como medida de melhoria do seu desempenho energético. Apesar de este sistema ser habitualmente utilizado como sistema de aquecimento, pode também ser potenciado como sistema de arrefecimento caso se introduza um sistema de ventilação também no envidraçado. Provenientes dos estudos realizados, várias alterações ao conceito de parede de Tombe original foram surgindo, nomeadamente no que diz respeito aos materiais utilizados na parede acumuladora, ao envidraçado e aos sistemas de ventilação. As características construtivas da parede de Trombe devem ser adotadas tendo em atenção diversos fatores, tais como, as condições climáticas do local de implantação e o tipo de utilização do edifício [3]. Normalmente a parede acumuladora é construída em pedra, betão, terra compactada, material cerâmico ou outro material com boa capacidade de armazenamento térmico. Esta deve encontrar-se distanciada do vidro cerca de 5 a 20 cm, formando assim uma caixa-de-ar, que poderá ser ou não ventilada [4]. A parede de Trombe clássica possui orifícios de termo-circulação na parte superior e inferior da parede acumuladora, permitindo assim que a circulação do ar quente que se encontra na caixa-de-ar contribua para o aquecimento do edifício (figura 1). Figura 1 Parede de Trombe clássica [5]. 8 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

31 Para otimizar o funcionamento da parede de Trombe estas devem ser abertas e fechadas consoante as necessidades de aquecimento. Durante o inverno, em que a temperatura no exterior do edifício é baixa, deve-se abrir a ventilação durante o dia para permitir a circulação do calor para o interior do edifício e fechar durante a noite, de forma a diminuir a quantidade de calor que é perdida para o exterior, como apresentado na figura 2. Figura 2 Abertura e fecho dos orifícios de ventilação durante o período diurno e noturno no Inverno. Nas paredes de Trombe não ventiladas o aquecimento processa-se por ação direta da radiação solar que atravessa o vidro e incide na parede acumuladora cuja superfície deve estar pintada de cor escura. Devido às altas temperaturas que se geram, desenvolvem-se fluxos de calor por condução que atravessam a parede até ao interior. A transferência de calor é feita lentamente, sendo o calor acumulado na parede durante o dia e gradualmente libertado para o interior durante a noite. No período noturno é indispensável a utilização de um sistema de oclusão que minimize as perdas de calor para o exterior. Esta solução adequa-se bastante bem a climas frios ou temperados no inverno e com boa insolação, como é o caso do clima Português, principalmente no norte do país. A parede de Trombe necessita de uma proteção solar pelo exterior para que o sistema só armazene calor quando é necessário. Um dispositivo de sombreamento e/ou de oclusão sobre o vidro corretamente dimensionado ajuda a resolver esta questão. No Inverno o sol está situado numa posição mais baixa relativamente ao verão incidindo no envidraçado praticamente na horizontal. Este facto faz com que seja possível absorver uma grande parte da radiação solar que incide no envidraçado. Pelo contrário no Verão o sol está localizado numa posição mais alta, ou seja, vai incidir mais verticalmente sobre o envidraçado. Esta diferença Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 9

32 entre as posições do sol no Inverno e no Verão permite que se dimensionem dispositivos de sombreamento fixos (palas) que permitam que o sol incida sobre a parede durante o inverno e ao mesmo tempo durante a estação de Verão cria uma zona de sombra sobre o mesmo, minimizando assim os ganhos solares. Assim no caso da parede de Tombe podemos aproveitar isso e incluir os sombreamentos fixos no seu sistema construtivo. Pode também ser colocado um dispositivo de oclusão (persiana), que permaneça aberta durante o dia, se a radiação for elevada no Inverno e fechada no Verão nesse mesmo período, normalmente colocada pelo lado exterior do vidro, ou recorrer também à colocação de vegetação de folha caduca que permita a entrada de radiação solar no Inverno e a impeça no Verão. Figura 3 - Posição do sol no inverno e no verão. Ao longo do tempo têm vindo a ser realizados alguns trabalhos experimentais nesta área, que têm sido importantes para a otimização do sistema. Em seguida serão apresentadas alguns destes trabalhos. O. Saadatian et al [6] realizaram estudos sobre a aplicação de paredes de Trombe clássicas em edifícios convencionais, tendo discutido as suas características, incluindo as configurações específicas e a tecnologia nelas utilizadas. Neste estudo também é feita referência às vantagens e desvantagens deste sistema passivo, bem como aos diferentes tipos de paredes de Trombe já construídas e estudadas. A primeira parede de Trombe analisada é a parede de Trombe não ventilada, esta é composta apenas pela parede de grande inercia, uma caixa-de-ar e um vidro no exterior como se pode verificar na figura Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

33 Figura 4 - Parede de Trombe não ventilada [6] Outro tipo de parede de Trombe estudado é a que incorpora água (figura 5). O funcionamento é idêntico ao da parede de Trombe clássica, mas em vez de a energia solar ser acumulada na parede acumuladora esta é acumulada na água. Segundo os autores [6] a água funciona melhor do que a parede acumuladora no que diz respeito aos ganhos solares indiretos. Figura 5 - Parede de Trombe com água [6] Na parede de Trombe com água o envidraçado localiza-se no lado exterior o que permite a entrada dos raios solares que posteriormente aquecem a água. Esta energia será posteriormente transmitida o interior do compartimento através de condução térmica. 2.3 Influência dos elementos de obstrução e de sombreamento Como já foi referido anteriormente o objetivo dos sombreamentos e das obstruções solares consiste em diminuir a quantidade de radiação solar que incide nos envidraçados, ou seja, que Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 11

34 a incidência da radiação solar não se faça diretamente sobre o vidro e na redução das perdas térmicas durante os períodos noturnos no Inverno, através dos elementos de obstrução. Quando a parede de Trombe tem uma proteção solar ativa fica impedido esse contacto, sendo assim, diminuída a energia solar absorvida por esta e transmitida para o interior do edifício nas alturas em que não é precisa, ou seja, quando as temperaturas no interior do edifício são superiores às de conforto. A morfologia da própria parede de Trombe também pode ser uma forma de criar um sistema de sombreamento, O. Saadatian et al [6] realizaram estudos com uma parede de Trombe em ZigZag (figura 6). Esta parede é projetada para reduzir os ganhos excessivos de calor nos dias mais quentes. É constituída por 3 secções, uma virada para sul e as outras duas construídas lateralmente de modo a criar 2 Vs. A face virada para sudeste possui uma janela que permite a absorção de calor e de luz durante a manha quando o aquecimento imediato é necessário. As restantes paredes que formam o V são paredes de Trombe que armazenam o calor durante o dia para libertar durante a noite. [6] Figura 6 - Parede de Trombe em ZigZag [6] As persianas (exteriores) são os dispositivos de obstrução mais utilizados nos envidraçados dos edifícios em Portugal. Este é um dispositivo que permite criar um espaço entre a persiana e o vidro capaz de refletir grande parte da radiação solar incidente. Para o resultado ser o mais positivo possível é necessário que a persiana seja opaca e de cor clara, podendo assim diminuir significativamente a passagem da radiação solar e também diminuir a absorção. Existem vários tipos de sombreamentos e obstruções, como por exemplo ripas de madeira como se pode ver na figura 7. Para além deste existem também sombreamentos horizontais e verticais (palas), vegetação, obstruções exteriores (portadas, persianas ou estores), obstruções interiores (cortinas, estores de lâminas, portadas de madeira, persianas de madeira). 12 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

35 Figura 7 - Exemplo da aplicação de um sistema de sombreamento [7] F. Stazi et al [8], realizaram um estudo do comportamento da parede de Trombe em condições de verão e a sua influência no conforto térmico no interior do edifício e nos consequentes consumos de energia necessários para garantir o mesmo. Neste estudo são comparadas ao mesmo tempo duas paredes de Trombe, fazendo variar alguns parâmetros constituintes destas, como o sombreamento, a ventilação e as condições operacionais. Este estudo mostrou que o uso combinado de sombreamentos horizontais, persianas e ventilação na parede de Trombe podem assegurar um conforto térmico satisfatório e permitem a redução da energia necessária para o arrefecimento do edifício em 72,9% e 63,0% para um nível de pouca ou muita insulação respetivamente. Os mesmos autores realizaram também um estudo experimental para analisar o comportamento das paredes de Trombe em edifícios residenciais com diferentes níveis de isolamento [9]. Este estudo teve como objetivos investigar o comportamento térmico da parede de Trombe, a avaliação da influência desta na energia necessária para o aquecimento e o arrefecimento necessários para garantir o conforto térmico no interior do edifício e a análise e otimização do comportamento da parede de Trombe num edifício variando os níveis de isolamento. O sistema era constituído por uma parede de betão com 40 cm de espessura pintada de cor preta no lado exterior, uma caixa-de-ar com 10 cm de espessura e por um vidro duplo no exterior, como se pode ver na figura 8. A parede acumuladora tem ainda na sua constituição aberturas para a ventilação no topo e no fundo para ativar a termo circulação do Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 13

36 ar, bem como persianas e sombreamentos horizontais para permitir o controlo da radiação solar. Figura 8 - Vista exterior da parede de Trombe [9]. Os resultados deste estudo demonstraram que a parede de Trombe permite economizar energia necessária para o aquecimento e favorece o conforto térmico no edifico durante os períodos de inverno e das restantes estações intermédias (primavera e outono). Conclui-se também que a utilização do vidro duplo permite introduzir uma melhoria muito significativa na performance da parede [9]. Durante o período de verão, através do uso de sombreamento e ventilação da caixa-de-ar, foi possível obter condições de temperatura no interior do edifício dentro dos parâmetros de conforto adequado. A utilização de sombreamentos e ventilação na parede permitem reduzir as desvantagens e ao mesmo tempo melhorar o conforto no interior do edifício. B. Chen et al [10] realizaram um estudo sobre o efeito do sombreamento colocado na caixade-ar da parede de Trombe em condições de inverno. O desempenho térmico desta parede foi analisado para diferentes temperaturas e ganhos térmicos. Os resultados obtidos apoiaram a ideia de que o uso da proteção na caixa-de-ar da parede de Trombe é uma maneira eficiente de melhorar as características térmicas da parede (figura 9), pois permite reduzir a perda de energia por convecção da caixa-de-ar e impedir a transferência dessa mesma energia por radiação para o exterior. Através da análise dos resultados obtidos foi possível concluir que a presença da persiana na caixa-de-ar permite reduzir entre 20 e 40 % a perda de calor durante 14 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

37 uma noite de inverno e ao mesmo tempo aumentar a temperatura da superfície exterior da parede de Trombe. Figura 9 - Alçado sul da célula de teste (direita) e da sala de referência (esquerda) [10]. A diferença do valor DH (grau-hora) entre as duas paredes durante o período de dia não é muito significativa, mas durante a noite o valor de DH na parede sem proteção é 10ºC h superior ao da parede com proteção. Através da análise do gráfico 1 pode verificar-se que a essa diferença do valor DH entre as duas paredes de Trombe testadas não é muito significativo no período diurno mas pelo contrário no período noturno verifica-se uma maior diferença entre os valores, sendo as perdas superiores na parede de Trombe que não possui a proteção na caixa-de-ar. Pode concluir-se que será necessário gastar mais energia para obter o mesmo conforto térmico no caso em que não existe proteção na caixa-de-ar durante a noite. Neste caso a utilização de dispositivos de oclusão é um fator positivo pois durante a noite ajuda a diminuir as perdas de energia para o exterior e desta forma a diminuir o gasto de energia para aquecimento [10]. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 15

38 Gráfico 1 - Diferença do valor grau-hora entre os dois ensaios anteriores [10]. Os sombreamentos horizontais ou palas horizontais têm um funcionamento diferente do das persianas, a eficiência destes dispositivos depende da posição do sol, figura 10. Durante o período de inverno o sol está a uma altitude mais baixa, ou seja, a radiação solar incide nos envidraçados praticamente na horizontal, pelo contrário durante o verão o sol encontra-se a maior altitude, incidindo nos envidraçados com um ângulo mais vertical. Se o sombreamento horizontal for bem dimensionado irá permitir que durante o inverno o sol incida no envidraçado fazendo assim funcionar a parede de Trombe e durante o verão crie uma área de sombra sobre o mesmo reduzindo drasticamente a quantidade de radiação solar absorvida e consequentemente transmitida para o interior do edifício em estudo. Figura 10 - Posição do sol no verão e no inverno. Adaptado de [11]. 16 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

39 O funcionamento dos sombreamentos verticais é semelhante com o dos horizontais, criando uma área de sombra dependendo da posição do sol. A diferença é que ao contrário das palas horizontais, a altitude a que o sol se encontra não influência significativamente o desempenho deste sistema, não deixando este fator de ser importante, pois durante o inverno a área de sombra criada é maior do que no verão pois o sol está localizado numa posição mais baixa, exatamente ao contrário do que é desejável. Este tipo de sombreamentos é mais indicado quando o sol incide no envidraçado apenas segundo uma destas orientações. Ao prever esse acontecimento durante a fase de projeto pode-se criar sistemas de sombreamento passivos que auxiliem o alcance de um conforto térmico no interior do edifício. De forma a ser possível tornar os edifícios mais verdes e ecológicos, também pode ser considerada a introdução de sombreamentos provocado por vegetação de folha caduca, figura 12. A introdução deste sistema permite diminuir o gasto com a construção/aplicação de outros sistemas e também permite ao mesmo tempo embelezar a zona exterior ao edifício. O funcionamento deste sistema de sombreamento passivo tem como base a presença (ou não) de vegetação em frente ao envidraçado, a sombra pode ser proporcionada por vegetação de grande ou pequeno porte com folha caduca ou permanente. Se se pretender sombrear um envidraçado ou a fachada de um edifício durante todo o ano deve-se recorrer ao uso de vegetação com folha permanente. No caso da parede de Trombe, apenas se pretende que a vegetação possua folha durante as estações mais quentes, como o final da primavera e o verão, por isso, nesse caso tem que se utilizar vegetação de folha caduca para que durante o inverno o sol possa entrar em contacto com o envidraçado e ao mesmo tempo durante o verão exista um sombreamento capaz de impedir a insolação do sistema com o auxilio das folhas que entretanto nasceram e criaram uma sombra eficaz. Figura 11 - Sombreamento provocado pela vegetação [12]. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 17

40 A figura 13 é apenas um exemplo das enumeras aplicações que podem ser criadas para obter sombreamento utilizando vegetação. Nesta figura apresenta-se um exemplo da utilização vegetação nas fachadas de um edifício. A aplicação de vegetação na fachada, tal como em frente ao envidraçado, é uma medida de auxílio ao arrefecimento dos edifícios, criando uma barreira que o sol tem que atravessar para entrar em contacto com a fachada e ao mesmo tempo contribui para o embelezamento do meio urbano. As cidades, hoje em dia, possuem cada vez menos espaço para jardins e espaços verdes, desta forma pode-se trazer a natureza para a cidade de formas mais originais. Figura 12 - Utilização de vegetação em fachadas de edifícios [13]. Para além a utilização de vegetação em fachadas e envidraçados esta pode ser também utilizada em coberturas contribuindo assim, como referido anteriormente, para a resistência térmica da cobertura e também para o embelezamento do espaço urbano. Na figura 14 apresenta-se um exemplo de como a vegetação pode ser aplicada em coberturas. Na figura 15 apresenta-se um exemplo da utilização da vegetação como sombreamento dos envidraçados na fábrica da Kyocera no Japão [16]. A vegetação também pode ser aplicada como sombreamento da parede de Trombe, localizada diretamente no vidro ou afastada deste. 18 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

41 Figura 13 - Exemplo da utilização de vegetação para o sombreamento de envidraçados [16]. 2.4 Conclusões Na elaboração da revisão bibliográfica dos trabalhos e estudos realizados até à data constatou-se que ainda não existem muitos estudos sobre a utilização de sombreamentos na parede de Trombe, e a sua influência no desempenho deste sistema, o que dificultou bastante a recolha de uma bibliografia mais completa. Pretende-se com este trabalho contribuir para o estudo do sombreamento e proteção da parede de Trombe e obter resultados sobre a possível utilização deste sistema durante o inverno e o verão e quais os cuidados que se devem ter para que não exista desconforto térmico devido ao sobreaquecimento ou sobrearrefecimento. Com este trabalho pretende-se analisar a influência da utilização de persianas, palas verticais e horizontais e vegetação no comportamento térmico da parede de Trombe. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 19

42 20 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

43 Capítulo 3 Metodologia Experimental Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 21

44 22 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

45 3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL Introdução Como foi anteriormente mencionado a Parede de Trombe é um sistema passivo de ganhos térmicos indiretos, que permite fornecer energia sob a forma de calor ao interior de um edifício sem consumir qualquer tipo de energia. Então poderá ocorrer o sobreaquecimento do edifício no verão. Para contrariar esse sobreaquecimento indesejado, é necessário introduzir dispositivos na parede de Trombe que permitam o seu sombreamento ou obstrução para impedir a incidência direta da radiação solar. Para produzir o efeito de sombreamento desejado existem vários dispositivos. No trabalho experimental desenvolvido foram estudados vários tipos de sombreamento, nomeadamente um sistema de oclusão (persiana), duas palas horizontais, duas verticais e vegetação. 3.2 Caracterização da célula de teste A célula de teste utilizada foi construída para o desenvolvimento de trabalhos anteriores realizados na UTAD [1, 2] e contem uma parede de Trombe orientada a sul. A parede de Trombe é composta por um vidro duplo (6+16+5) com 2,1 m por 2,18 m, uma caixa-de-ar de 6 cm, uma parede acumuladora em tijolo maciço com 34 cm de espessura devidamente rebocada pelo interior bem como pelo exterior com 1 cm de argamassa de reboco de cada lado, sendo que do lado exterior a parede acumuladora foi pintada de cor preta para aumentar os ganhos solares. Esta possui ainda orifícios de ventilação dimensionados segundo a área do pavimento interior, 2% como explica Mendonça, P. [15]. A célula de teste foi construída tendo como base um contentor metálico com 6x2,5x2,35 m onde se retirou uma das paredes e se construiu uma parede de Trombe (figura 16). Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 23

46 Figura 14 - Exterior da célula de teste. Para que as envolventes tivessem uma resistência térmica semelhante à de uma parede de uma habitação foram isoladas com poliuretano expandido extrudido (XPS), pelo interior (figura 15). A espessura de isolamento nas paredes foi de 10 cm e no pavimento e cobertura de 8cm. Figura 15 - Interior da célula de teste. Na figura 16 é apresentado o alçado e um corte com a constituição e as características da parede de Trombe existente na célula de teste utilizada. Na parte superior da parede de Trombe está localizada uma caixa de estore e na parte inferior existe uma zona em que se vê o isolamento térmico do pavimento da célula. 24 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

47 [m] Figura 16 - Alçado e corte da parede de Trombe estudada. Como já foi mencionado os sistemas que serão instalados são uma persiana, palas horizontais, verticais e vegetação. As palas verticais e horizontais foram construídas em XPS, pois é um material que está disponível no laboratório de Engenharia Civil da UTAD e como tal torna-se mais económico o seu uso. Outro motivo pela qual este material foi escolhido foi a sua facilidade de manuseamento, colocação e fixação. 3.3 Caracterização dos cenários Para estudar os diferentes tipos de sombreamento/oclusão foi necessário dividir o estudo em diferentes cenários para, desta forma, se poder analisar a influência de cada um dos tipos de dispositivos utilizados. Para recolher os dados foram utilizados sensores de temperatura localizados na célula de teste. Estes sensores foram localizados em sítios específicos de forma a facilitar a comparação dos resultados. Na figura 19 apresenta-se um esquema em corte da célula de teste com a localização dos sensores e a sua designação. É de referir, que os orifícios de ventilação estiveram sempre abertos e que a localização dos sensores se manteve ao longo de todos os ensaios realizados, para que os resultados pudessem ser comparados entre si. Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 25

48 A função da maior parte dos sensores, Te, Ti, Tca1, Tca2, Tsup1, Tsup2, Tsup3, Tsup5 e Tip é recolher temperaturas, enquanto a função do sensor RS é recolher a intensidade de radiação solar. Os sensores RS e Te estão localizados na parte superior da célula, os restantes estão localizados conforme a figura 19. Te + Legenda: Te: Temperatura no exterior Ti: Temperatura no interior Tca1: Temperatura na base da caixa-de-ar Tca2: Temperatura no topo da caixa-de-ar Tsup1: Temperatura superficial na base da parede acumuladora Tsup2: Temperatura superficial a meio da parede acumuladora, na face da caixa-de-ar Tsup3: Temperatura superficial no topo da parede acumuladora, na face da caixa-de-ar Tsup5: Temperatura superficial da parede acumuladora em contacto com o interior Tip: Temperatura no interior da parede acumuladora RS: Intensidade de Radiação solar HRe: Humidade relativa Figura 17 - Designação e localização dos sensores na parede de Trombe Durante a programação deste trabalho foram definidos os tipos de sombreamento e oclusão que se se iriam utilizar. Pensou-se então em utilizar a persiana e as palas horizontais e verticais. Para além destes tipos de sombreamento, utilizou-se o sombreamento com vegetação. No cenário 1 foi estudada a influência da colocação de uma persiana exterior de cor branca. O cenário 2 refere-se à análise da influência da introdução de palas de dimensões distintas, A e B designando-se os cenários por cenário 2A e cenário 2B. No cenário 3 foram também introduzidas duas palas no sistema, mas neste caso verticais, colocadas a poente (pala vertical A) e a nascente (pala vertical B) designando-se os cenários por cenário 3A e cenário 3B respetivamente. Finalmente, o cenário 4 diz respeito ao estudo da influência da vegetação no comportamento do sistema. 26 Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe.

49 Na tabela 1 estão especificadas as datas de inicio e de fim de que cada um dos diferentes cenários, a sua duração e o tipo de sombreamento utilizado. Tabela 1- Caracterização dos cenários. Cenário Data de Inicio Data de Fim Duração (dias) Tipo de Sombreamento 1 17/5/13 1/6/13 15 Persiana 2A 19/7/13 30/7/13 11 Pala horizontal A 2B 7/8/13 15/8/13 8 Pala horizontal B 3A 17/8/13 26/8/13 9 Pala vertical A 3B 28/8/13 8/9/13 11 Pala vertical B 4 5/10/13 12/10/13 7 Sombreamento vegetal Cenário 1 Persiana exterior No primeiro cenário foi testado um sistema de oclusão constituído por uma persiana localizada no exterior. Este ensaio realizou-se durante o período de tempo entre os dias 17/05/2013 e 1/06/2013. A persiana está colocada numa caixa-de-estore situada no topo da célula de teste. É uma persiana comum, feita em PVC de cor branca para absorver o mínimo de energia possível, pois quanto mais clara for a sua cor menor será a quantidade de radiação solar absorvida e maior vai ser a refletida. Na figura 18 apresenta-se uma imagem da célula de teste com a persiana fechada. Figura 18 - Proteção solar exterior ativa Influência dos Elementos de Obstrução no Desempenho Térmico da Parede de Trombe. 27