ANÁLISE DO IMPACTE DOS VÃOS ENVIDRAÇADOS NO DESEMPENHO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS

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1 ANÁLISE DO IMPACTE DOS VÃOS ENVIDRAÇADOS NO DESEMPENHO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS Jorge Filipe da Cruz Sirgado Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Júri Presidente: Orientador: Vogal: Professor Doutor Augusto Martins Gomes Professor Doutor António Heleno Domingues Moret Rodrigues Professora Doutora Maria da Glória de Almeida Gomes Outubro de 2010

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3 Dedico esta dissertação à minha mãe

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5 Agradecimentos Uma dissertação de mestrado representa o término de uma longa caminhada e a entrada numa nova etapa da vida, um esforço e empenho não só da minha parte, mas de todos os que estiveram ao meu lado durante estes últimos anos. Gostaria, em primeiro lugar, de agradecer à minha família, em especial à minha mãe e ao meu irmão, pois sem a sua ajuda ao longo destes cinco anos, não teria chegado aqui. Um agradecimento especial também, para o meu colega e amigo Hélder Almeida, pelos inúmeros trabalhos que realizámos juntos durante os cinco anos de curso, esta camaradagem não podia passar sem um muito obrigado. Ao meu amigo António Minhalma, um grande obrigado pela sua ajuda sempre que o inglês foi necessário. Agradeço ainda a todos os outros meus amigos, que durante estes últimos meses, muitas vezes se viram privados da minha companhia. Por fim, agradeço ao Professor Moret Rodrigues, meu orientador científico, pela sua dedicação e disponibilidade no esclarecimento de todas as questões sobre o tema desta dissertação, o que muito contribuiu para o desenvolvimento da mesma. III

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7 Resumo Com o aumento da escassez de combustíveis fósseis e de emissões de CO 2 para a atmosfera, torna-se necessário reduzir o consumo energético originado pelos edifícios. Dado que as janelas ocupam uma grande área da envolvente das habitações, e são elementos altamente propícios à ocorrência de trocas de calor, é conveniente conhecer de que forma as inúmeras soluções disponíveis no mercado afectam o desempenho térmico dos edifícios. Após a introdução dos principais fenómenos de transferência de calor condução, convecção e radiação e parâmetros que afectam o desempenho térmico de um envidraçado factor solar e coeficiente de transmissão térmica, apresenta-se uma metodologia para a completa definição de uma janela com base nos seus impactes energéticos nos edifícios. Esta metodologia poderá auxiliar arquitectos e engenheiros a projectar habitações energeticamente mais eficientes. Todos os critérios que integram o processo de definição de um vão envidraçado são alvo de análise neste trabalho, avaliando-se o impacte da zona climática, orientação dos vãos, área de janela, condições de sombreamento, tipo de vidro e material de caixilharia no desempenho térmico dos edifícios. Para tal, recorreu-se a um programa de simulação dinâmica EnergyPlus, e a um programa de modelação de janelas WINDOW5, programas informáticos com especial relevância nesta área. Com este trabalho, conclui-se que um projecto cuidado dos vãos envidraçados de um edifício reduz significativamente o consumo de energia para climatização. Contudo, as variadas soluções e combinações possíveis podem tornar este projecto algo complexo. Palavras-chave: Vão envidraçado, Janela, Vidro, Ganhos solares, Desempenho térmico, Factor solar V

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9 Abstract The scarcity of fossil fuels and the increase of CO 2 emissions to the atmosphere leads to the necessity of reduce the energy consumption caused by the buildings. Since windows consist in a major area of the facades of dwellings and windows are one of the most important elements responsible for heat loss and heat gain, it s desirable to know how the many solutions available at the market affect thermal performance of buildings. After the introduction of the main processes of heat transfer conduction, convection and radiation and the main parameters that affect the thermal performance of a window solar heat gain coefficient and U-factor, it was presented a decision-making process for window design based on their energy impacts in buildings. This process will help architects and engineers to design homes more energy-efficient. All criteria that compose the decision-making process for window design have been analyzed in this study, measuring the impact on thermal performance for buildings of climatic zone, solar orientation, window area, shading conditions, glazing and frame material. For such, it was used a software of dynamic simulation EnergyPlus, and a software for window modeling WINDOW5, software that have a special importance in this knowledge area. This assignment enables to conclude that a careful window design for residence buildings significantly reduces the energy consumption for air conditioning. However, the multiple solutions and combinations that it s possible to create can make this design quite complex. Keywords: Window, Glazing, Glass, Solar gains, Thermal performance, Solar heat gain coefficient VII

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11 Índice Capítulo 1 Introdução Enquadramento do tema Motivações Objectivos Estrutura do trabalho... 3 Capítulo 2 Transmissão de calor associada aos vãos envidraçados Introdução Trocas de calor por condução Trocas de calor num envidraçado devido a diferença de temperatura Trocas de calor por convecção Trocas de calor devido à radiação Composição da radiação Geometria solar Tipos de transferência de calor por radiação Ganhos solares através de um envidraçado... 9 Capítulo 3 Elementos constituintes de uma janela Introdução Vidro Vidro com controlo solar Vidro com película de baixa emissividade Caixilharia Alumínio Madeira PVC Caixilhos híbridos Compósitos de madeira PRFV IX

12 3.4 Meios de sombreamento Dispositivos fixos exteriores Estores Telas Portadas Vegetação Capítulo 4 Critérios para projecto de vãos envidraçados Introdução Método para definição dos vãos envidraçados Capítulo 5 Metodologia de trabalho Introdução Metodologia geral Modelo base Geometria Envolvente opaca Taxa de renovação do ar Ganhos internos Massa interna Estudos paramétricos Zonamento climático Orientação Área de janela Condições de sombreamento Tipo de vidro Material de caixilharia Capítulo 6 EnergyPlus e WINDOW Introdução EnergyPlus Simulation Parameters Location Climate Weather File Access Surface Construction Elements Thermal Zone Description/Geometry Schedules X

13 6.2.6 Space Gains Air Flow Node-Branch Management Zone Equipment Zone Forced Air Units Zone Controls and Thermostats Report WINDOW Glass Library Gas Library Glazing System Library Frame Library Divider Library Environmental Conditions Library Window Library Capítulo 7 Avaliação dos critérios para projecto de vãos envidraçados Introdução Necessidades de energia para aquecimento Zonamento climático Orientação Área de janela Condições de sombreamento Tipo de vidro Material de caixilharia Necessidades de energia para arrefecimento Zonamento climático Orientação Área de janela Condições de sombreamento Tipo de vidro Material de caixilharia Necessidades de energia anual Zonamento climático Orientação Área de janela Condições de sombreamento XI

14 7.4.5 Tipo de vidro Material de caixilharia Capítulo 8 Conclusões Referências bibliográficas ANEXOS XII

15 Índice de figuras Figura 2.1 Componentes que constituem as trocas de calor através de uma janela relacionadas com o valor de U [5]... 6 Figura 2.2 Movimento do Sol ao longo do dia para os períodos de Inverno e Verão [9] Figura 2.3 Decomposição da radiação solar ao incidir num elemento envidraçado [8] Figura 2.4 Efeito de sombreamento criado num vão envidraçado por palas horizontal e vertical [8] Figura 3.1 Comparação dos valores de U, g v e τ v entre um vidro simples, duplo e triplo Figura 3.2 Comparação dos valores de U, g v e τ v entre um vidro duplo normal e três vidros duplos com controlo solar Figura 3.3 Comparação dos valores de U, g v e τ v entre um vidro duplo normal e dois vidros duplos com películas de baixa emissividade, uma convencional e outra com controlo solar Figura 4.1 Processo para projecto de vãos envidraçados Figura 5.1 Vista conceptual do modelo de estudo em perspectiva isométrica Figura 7.1 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento em função da zona climática de Inverno Figura 7.2 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento em função da orientação Figura 7.3 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento em função da área do vão envidraçado Figura 7.4 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Norte Figura 7.5 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Norte Figura 7.6 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Sul Figura 7.7 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Sul Figura 7.8 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Este Figura 7.9 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Este XIII

16 Figura 7.10 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Oeste Figura 7.11 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Oeste Figura 7.12 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento para diferentes tipos de vidro Figura 7.13 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento em função da espessura dos panos de vidro Figura 7.14 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento para diferentes tipos de gases Figura 7.15 Necessidades nominais de energia útil para aquecimento em função do material dos caixilhos Figura 7.16 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento em função da zona climática de Verão Figura 7.17 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento em função da orientação Figura 7.18 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento em função da área do vão envidraçado Figura 7.19 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Norte Figura 7.20 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento amovíveis para uma orientação Norte Figura 7.21 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Norte Figura 7.22 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento conjugando meios de sombreamento amovíveis e fixos para uma orientação Norte Figura 7.23 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Sul Figura 7.24 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento amovíveis para uma orientação Sul Figura 7.25 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Sul Figura 7.26 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento conjugando meios de sombreamento amovíveis e fixos para uma orientação Sul XIV

17 Figura 7.27 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Este Figura 7.28 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento amovíveis para uma orientação Este Figura 7.29 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Este Figura 7.30 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento conjugando meios de sombreamento amovíveis e fixos para uma orientação Este Figura 7.31 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Oeste Figura 7.32 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento amovíveis para uma orientação Oeste Figura 7.33 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Oeste Figura 7.34 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento conjugando meios de sombreamento amovíveis e fixos para uma orientação Oeste Figura 7.35 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento para diferentes tipos de vidro Figura 7.36 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento em função da espessura dos panos de vidro Figura 7.37 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento para diferentes tipos de gases Figura 7.38 Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento em função do material dos caixilhos Figura 7.39 Necessidades nominais globais anuais de energia primária para três regiões distintas de Portugal Continental Figura 7.40 Necessidades nominais globais anuais de energia primária em função da orientação Figura 7.41 Necessidades nominais globais anuais de energia primária em função da área do vão envidraçado Figura 7.42 Necessidades nominais globais anuais de energia primária sem a utilização de qualquer tipo de sombreamento para uma orientação Sul Figura 7.43 Necessidades nominais globais anuais de energia primária com a utilização de meios de sombreamento amovíveis para uma orientação Sul XV

18 Figura 7.44 Necessidades nominais globais anuais de energia primária com a utilização de meios de sombreamento fixos para uma orientação Sul Figura 7.45 Necessidades nominais globais anuais de energia primária conjugando meios de sombreamento amovíveis e fixos para uma orientação Sul Figura 7.46 Necessidades nominais globais anuais de energia primária para diferentes tipos de vidro Figura 7.47 Necessidades nominais globais anuais de energia primária em função da espessura dos panos de vidro Figura 7.48 Necessidades nominais globais anuais de energia primária para diferentes tipos de gases Figura 8.1 Comparação das necessidades nominais globais anuais de energia primária para climatização entre duas soluções: uma boa solução e uma má solução XVI

19 Índice de quadros Quadro 3.1 Comparação dos valores de U, g v e τ v para vidros duplos e triplos utilizando diferentes gases no espaço entre panos Quadro 7.1 Quadro resumo com a comparação do desempenho térmico anual em função da zona climática Quadro 7.2 Necessidades nominais globais anuais de energia primária em função do material utilizado nos caixilhos XVII

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21 Siglas RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios SCE Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios PVC Policloreto de Vinil PRFV Poliéster Reforçado com Fibra de Vidro AQS Águas Quentes Sanitárias LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil AVAC Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado CEN Comité Européen de Normalisation XIX

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23 Simbologia U Coeficiente de transmissão térmica (W/m 2o C) R Resistência térmica (m 2. o C/W) g v Factor solar do vidro (-) g Factor solar do vão (-) g p Factor solar da protecção (-) τ s Transmitância solar (-) ρ s Reflectância solar (-) α s Absortância solar (-) τ v Transmitância da luz visível (-) N ic Necessidades nominais de energia útil para aquecimento (kwh/m 2.ano) N vc Necessidades nominais de energia útil para arrefecimento (kwh/m 2.ano) N tc Necessidades nominais anuais globais de energia primária (kgep/m 2.ano) η i Eficiência nominal do sistema de aquecimento (-) η v Eficiência nominal do sistema de arrefecimento (-) F pui Factor de conversão entre energia útil e energia primária para o sistema de aquecimento (kgep/kwh) F puv Factor de conversão entre energia útil e energia primária para o sistema de arrefecimento (kgep/kwh) N i Valor limite das necessidades nominais de energia útil para aquecimento (kwh/m 2.ano) N v Valor limite das necessidades nominais de energia útil para arrefecimento (kwh/m 2.ano) N t Valor limite das necessidades nominais anuais globais de energia primária (kgep/m 2.ano) τ Coeficiente de redução de perdas térmicas para locais não aquecidos (-) R ph Taxa de renovação do ar (h -1 ) A j Relação entre a área de janela e a área da parede da envolvente exterior (%) XXI

24 e Espessura (cm) λ Condutibilidade térmica (W/m. o C) ρ Massa volúmica aparente (kg/m 3 ) C p Calor específico (J/kg.K) R ar Resistência térmica de espaços de ar não-ventilados (m 2. o C/W) XXII

25 Capítulo 1 Introdução 1.1 Enquadramento do tema A escassez dos combustíveis fósseis, fontes de energia não renováveis, nomeadamente o carvão, o petróleo e o gás natural, bem como os danos que a utilização destes causam no meio ambiente são problemas graves que afectam a sociedade nos dias de hoje e que exigem medidas minimizadoras. A energia consumida nos edifícios representa uma grande fatia do consumo energético na União Europeia, cerca de um terço, resultando daqui uma elevada taxa de emissão de CO 2 para a atmosfera, responsável por importantes impactes ambientais. Torna-se assim inevitável a aplicação de medidas que visem o desenvolvimento sustentável na construção, reduzindo a facturação mensal energética dos edifícios e melhorando o conforto ambiental no seu interior recorrendo o menos possível a instalações de aquecimento e condicionamento do ar. Estas medidas passam quer pela utilização de materiais de construção adequados na envolvente do edifício quer pela utilização de sistemas passivos de aquecimento/arrefecimento e ainda pela utilização de energias renováveis. Em Portugal, o consumo de energia no sector dos edifícios estima-se em cerca de 30% do consumo de energia final, sendo os edifícios de habitação responsáveis por 17%, embora a sua tendência seja a de um crescimento elevado no futuro [1]. Para contrariar esta tendência foi publicada regulamentação específica para os edifícios, nomeadamente, o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE) [2] que visa a redução dos consumos energéticos associados ao conforto térmico e qualidade do ambiente interior dos edifícios, quer no Inverno quer no Verão, através da melhoria da qualidade térmica da envolvente, e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) [3] que regula a instalação e a utilização de sistemas energéticos de climatização nos edifícios, com o objectivo de economizar e promover uma utilização mais racional da energia. A aplicação destes dois regulamentos culmina no Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios (SCE) [4], sistema este que certifica os edifícios quanto à boa aplicação do RCCTE e RSECE e que passou a ser obrigatório para todas as habitações que pretendam ser vendidas ou alugadas. É neste âmbito que surge o presente trabalho, que se centra na análise do impacte dos vãos envidraçados no desempenho térmico dos edifícios, e que deste modo pode constituir um 1

26 contributo válido para um projecto energeticamente mais eficiente deste importante elemento da envolvente dos edifícios. De seguida descrevem-se as motivações e os principais objectivos do trabalho. 1.2 Motivações As janelas constituem grande parte da envolvente dos edifícios de habitação, estando em contacto directo com o ambiente exterior. São, desta forma, zonas propícias à ocorrência de grandes trocas de calor. Assim, os ganhos e as perdas de calor que se verificam através dos vãos envidraçados podem representar uma parcela significativa na energia consumida pelos edifícios para aquecimento e arrefecimento. Com a introdução da nova regulamentação para controlo do consumo energético dos edifícios em Portugal, nomeadamente o RCCTE e o SCE, torna-se necessário controlar da melhor forma as trocas de calor ao nível dos envidraçados, optando por soluções adequadas que sejam capazes de tornar os edifícios mais eficientes do ponto de vista energético. Com o rol cada vez mais alargado de tipos de vidro e materiais para caixilharia disponível no mercado, é necessário fornecer aos projectistas de edifícios de habitação informação relevante acerca do desempenho energético dos edifícios para as diferentes soluções, de forma a que, através de um processo expedito possam avaliar quais as implicações que a opção por uma determinada solução trará no consumo energético dos edifícios. No ponto seguinte, apresenta-se em maior detalhe os principais objectivos que este trabalho pretende alcançar. 1.3 Objectivos O objectivo do presente trabalho passa pela definição de uma metodologia para projecto de vãos envidraçados de edifícios de habitação. Procura-se através desta dissertação transmitir aos projectistas, arquitectos ou engenheiros, que desenvolvam funções na área da térmica de edifícios, um processo constituído por passos simples para a completa definição das janelas de uma habitação. É também objectivo deste trabalho avaliar o impacte dos vários critérios utilizados no projecto de vãos envidraçados no desempenho térmico dos edifícios. Estes critérios são: o zonamento climático, a orientação dos envidraçados, a área de janela, as condições de sombreamento, o tipo de vidro e o material da caixilharia. Para cumprir estes objectivos serão utilizados dois programas informáticos de grande utilidade nesta área o EnergyPlus e o WINDOW5. 2

27 1.4 Estrutura do trabalho A divisão desta dissertação nos diferentes capítulos que aqui se apresentam foi criteriosamente pensada com o intuito de expor os conteúdos do trabalho de uma forma clara e sucinta. Assim, dividiu-se o trabalho em oito capítulos. No presente capítulo faz-se o enquadramento do tema na problemática do crescente consumo energético dos edifícios, expõe-se as motivações e os objectivos a atingir com este trabalho e apresenta-se a estrutura geral da dissertação. No Capítulo 2 são expostos conceitos teóricos relacionados com as trocas de calor que se processam ao nível dos vãos envidraçados. O entendimento destes conceitos torna-se fundamental para a compreensão dos resultados que se apresentam ao longo do Capítulo 7. No Capítulo 3 apresenta-se as inúmeras partes constituintes de uma janela, designadamente, o vidro, a caixilharia e os elementos de sombreamento. São descritos os diferentes tipos de vidros e materiais de caixilharia disponíveis no mercado para edifícios de habitação, procurando-se, sempre que possível, apresentar valores caracterizadores do desempenho térmico. No Capítulo 4 desta dissertação, descrevem-se quais os critérios que fazem parte integrante do processo de selecção dos vãos envidraçados por parte do projectista. Estes critérios serão posteriormente alvo de análise, sendo os resultados obtidos apresentados no Capítulo 7. No Capítulo 5 é apresentada a metodologia do trabalho. Neste capítulo é descrita a zona de estudo utilizada para a obtenção dos resultados e a metodologia adoptada, descrevendo-se os diferentes estudos paramétricos realizados. No Capítulo 6 são descritas as ferramentas informáticas utilizadas na realização do estudo proposto nesta dissertação e sem as quais teria sido difícil atingir os objectivos descritos no ponto anterior. Este capítulo encontra-se dividido em duas partes: a primeira parte é reservada ao EnergyPlus, enquanto a segunda explica o modo de funcionamento do WINDOW5. O Capítulo 7, como já atrás referido, é reservado para a apresentação e discussão dos resultados deste trabalho. Estes resultados referem-se aos critérios apresentados no Capítulo 4 no desempenho térmico de edifícios e cuja avaliação constitui o grande objectivo desta dissertação. Por fim, no Capítulo 8, apresentam-se as principais conclusões retiradas do trabalho desenvolvido. 3

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29 Capítulo 2 Transmissão de calor associada aos vãos envidraçados 2.1 Introdução O fluxo de calor que se verifica através de um vão envidraçado acontece de três formas distintas: condução, convecção e radiação. Condução é a forma de transferência de calor que se verifica sobretudo nos sólidos, contudo pode ocorrer também em líquidos e gases. Convecção é a transferência de calor que ocorre por movimento de líquidos ou gases. Radiação é o movimento de energia através do espaço mesmo na ausência de fenómenos de condução ou de movimentação do ar. Ao longo deste capítulo, serão apresentados estes processos de transferência de calor, com uma explicação mais vocacionada para as janelas. Para além disso, serão também abordados alguns parâmetros que permitem quantificar as trocas de calor que ocorrem ao nível das janelas, como é o caso do coeficiente de transmissão térmica e do factor solar. 2.2 Trocas de calor por condução A transmissão de calor por condução ocorre sem que se verifiquem movimentos internos da matéria nem a emissão de radiações. Ou seja, num corpo sujeito a este processo, a passagem de calor de um ponto a temperatura mais elevada para um ponto a temperatura mais baixa acontece devido à excitação de átomos e moléculas. Os átomos e moléculas que constituem a matéria, ao sofrerem um aumento de temperatura, entram num estado de excitação, colidindo com os átomos e moléculas vizinhas. Desta forma, a energia é transferida para regiões adjacentes, com níveis de energia mais baixos, ou seja, regiões com temperatura inferior Trocas de calor num envidraçado devido a diferença de temperatura Quando uma janela está sujeita a uma diferença de temperaturas entre o exterior e o espaço interior, ocorrerá transferência de calor para o local que está a uma temperatura inferior através de três mecanismos distintos: condução através do vidro e do caixilho, convecção através dos espaços de ar e radiação de grande comprimento de onda entre as superfícies do vidro de cada lado da caixa-de-ar (Figura 2.1). Estes dois últimos mecanismos são abordados 5

30 nos pontos seguintes, pelo que se aconselha uma leitura atenta do restante capítulo para uma melhor compreensão do assunto. Para quantificar este fluxo de calor que ocorre ao nível de uma janela é necessário introduzir um parâmetro designado coeficiente de transmissão térmica, U. O coeficiente de transmissão térmica é expresso em W/m 2o C e neste caso serve para quantificar o fluxo de calor que ocorre ao nível de uma janela devido a uma diferença de temperatura entre o interior e o exterior, englobando os três mecanismos de transferência condução, convecção e radiação de grande comprimento de onda [6]. A definição de coeficiente de transmissão térmica pode ser entendida da seguinte forma: representa o fluxo de calor por hora (em watt) por metro quadrado de janela para uma diferença de temperatura de 1 o C entre o interior e o exterior. O coeficiente de transmissão térmica é inversamente proporcional à resistência térmica, R. Assim, quanto menor for o coeficiente de transmissão térmica de uma janela, maior será o isolamento térmico conferido por esta. Dado a variedade de materiais que constituem uma janela, é comum apresentar o coeficiente de transmissão térmica de um vão envidraçado de duas maneiras diferentes. Na primeira, é apresentado o valor de U apenas para o sistema de vidros. Outra maneira, consiste em apresentar o coeficiente de transmissão térmica para toda a janela, ou seja, tendo em conta também o efeito dos caixilhos na transmissão de calor. Figura 2.1 Componentes que constituem as trocas de calor através de uma janela relacionadas com o valor de U [5]. O coeficiente de transmissão térmica (U) para toda a janela depende do tipo de vidro e do material de caixilharia, e respectivas áreas, podendo ser determinado através da seguinte expressão [7]: = (W/m 2o C) (2.1) 6

31 em que U c e U v são os coeficientes de transmissão térmica do caixilho e do vidro em W/m 2o C, respectivamente, A c e A v são as áreas visíveis de caixilharia e de vidro em m 2, respectivamente, L v é o perímetro de vidro visível em m, e ψ é o coeficiente de transmissão térmica linear em W/m o C. 2.3 Trocas de calor por convecção Tal como descrito no ponto anterior, as trocas de calor por condução que ocorrem num sólido dão-se através de colisões internas entre átomos e moléculas vizinhas, em função do estado de energia em que se encontra a matéria, induzido por um campo de temperaturas. No caso dos fluidos, a transferência de calor através destes ocorre não apenas por agitação molecular, mas sobretudo devido ao movimento das partículas que constituem o fluido correntes macroscópicas de fluido [8]. A este processo de transferência de calor dá-se o nome de convecção. Existem dois tipos de convecção convecção forçada, que acontece quando se impõe uma diferença de pressão através duma causa externa, como por exemplo, os ventos atmosféricos ou quando se recorre a um ventilador, e convecção natural, que ocorre devido à diferença de pressão originada por um gradiente térmico, por exemplo, o caso de um radiador de calor que ao aquecer o ar que está na sua vizinhança, irá criar uma corrente ascensional. As correntes de convecção que se verificam ao nível de um vão envidraçado acontecem em três locais: junto às faces interior e exterior do vidro e, em vãos com mais do que um pano de vidro, no espaço que os separa (Figura 2.1), que como se verá mais adiante, no Capítulo 3, podem estar preenchidos com ar ou com gases menos viscosos. No interior, a face do vidro que se encontra a uma temperatura mais reduzida arrefece o ar que se encontra adjacente a esta, fazendo com que o ar desça. A corrente de convecção que se inicia desta forma é muitas vezes tomada como um excesso de permeabilidade ao ar da janela, contudo pode ser atenuada com a utilização de uma janela que providencie uma superfície do vidro mais quente. No exterior, as correntes de ar são favoráveis ao isolamento térmico das janelas, porém a melhoria que trazem é diminuta. Na caixa-de-ar, a diferença de temperaturas que se verifica induz uma corrente de convecção favorável às perdas de calor. Através de um correcto ajuste do espaçamento entre os panos de vidro, introduzindo panos de vidro adicionais para criar mais espaços de ar, ou substituindo o ar por um gás de preenchimento menos viscoso, é possível reduzir o efeito negativo das trocas de calor por convecção, melhorando o isolamento térmico da janela. 2.4 Trocas de calor devido à radiação Antes de se iniciar a descrição de como ocorrem os ganhos solares através dos envidraçados, é necessário interiorizar alguns conceitos que ajudarão na compreensão deste tema. Assim, serão apresentados de seguida tópicos que explicam a composição da radiação 7

32 que atinge a superfície de um envidraçado, assim como o movimento do Sol ao longo do dia e os diferentes tipos de radiação e respectivos comprimentos de onda Composição da radiação Tal como descrito em [8], a radiação solar global que atinge a superfície da Terra é a soma de duas parcelas. Para além da radiação directa, ou seja, a que atravessa unidireccionalmente a atmosfera e atinge a superfície terrestre, existe ainda a radiação difusa. A radiação difusa é constituída pelos raios solares que só atingem a superfície da Terra após múltiplos desvios nas partículas suspensas da atmosfera. A radiação que irá atingir a superfície de um envidraçado, ou uma outra qualquer superfície presente na Terra, é composta pelos dois tipos de radiação descritos no parágrafo anterior directa e difusa mais a radiação que é reflectida pelo contorno (albedo), que depende da rugosidade e tipos de materiais que compõem as superfícies aparentes desse contorno. De acordo com [8], a radiação reflectida pelas superfícies do contorno pode ir de 3% a 85% da radiação total incidente. Apresenta-se, em seguida, exemplos de albedos para algumas superfícies: Solo nu 10 a 25%; Relva 14 a 37%; Revestimentos pétreos 12 a 40% Geometria solar Conhecer o movimento do Sol ao longo do dia para as diferentes estações do ano é importante, pois os ganhos solares através de um envidraçado dependem do ângulo de incidência com que os raios solares o atingem. Para além disso, permite conhecer o sombreamento causado no envidraçado. Este sombreamento pode ser criado de várias maneiras, nomeadamente, palas aplicadas para o efeito, a própria geometria do edifício, a presença de edifícios vizinhos e a forma do espaço circundante (praças, ruas, avenidas), e depende em muito da posição em que o Sol se encontra no céu. Na Figura 2.2 é possível visualizar os diferentes percursos do Sol ao longo do ano, destacando-se os movimentos típicos durante os períodos de Inverno e Verão. No Inverno, o percurso do Sol é praticamente perpendicular aos vãos envidraçados de uma fachada vertical orientada a Sul durante a parte da manhã e princípio da tarde, possibilitando assim uma maior entrada de radiação solar directa. Durante o Verão, o percurso do Sol é mais próximo do zénite, por isso a incidência dos raios solares em vãos envidraçados orientados a Sul faz-se com maiores ângulos, atenuando desta forma os ganhos solares. 8

33 Figura 2.2 Movimento do Sol ao longo do dia para os períodos de Inverno e Verão [9] Tipos de transferência de calor por radiação Existem dois tipos de transferência de calor por radiação: transferência de calor por radiação de grande comprimento de onda e transferência de calor por radiação de baixo comprimento de onda. Todos os corpos, mesmo estando à temperatura ambiente, emitem radiação, levando à ocorrência de trocas de calor entre si. Esta radiação é designada de radiação de grande comprimento de onda (ou de baixa temperatura) e engloba comprimentos de onda no intervalo dos 3 aos 50 µm [5]. A transferência de calor por radiação de baixo comprimento de onda é a que provém da radiação solar e ocorre para comprimentos de onda na ordem dos 0.3 a 2.5 µm [5]. A radiação de baixo comprimento de onda é constituída pela radiação ultravioleta, que apresenta o menor comprimento de onda sendo, por isso, a mais energética, pela radiação visível e pela radiação infravermelha. A distinção entre estes dois tipos de transferência de calor por radiação é essencial para a compreensão do funcionamento do vidro duplo com película de baixa emissividade, apresentado no Capítulo Ganhos solares através de um envidraçado Apresentados estes aspectos mais gerais que servem de fundamentação à compreensão das trocas de calor por radiação que acontecem ao nível de um envidraçado, procura-se explicar neste ponto, de uma forma sucinta, a acção da radiação solar sobre uma janela e a maneira de apurar a parte desta que efectivamente constitui um ganho de calor para os edifícios. 9

34 De uma forma geral, da radiação total que incide num vão envidraçado, apresentada em 2.4.1, uma parte é transmitida instantaneamente para o interior, outra imediatamente reflectida para o exterior, sendo uma terceira parte absorvida pelo vidro. Desta terceira parte, que é absorvida e que representa energia acumulada no vidro, há ainda uma parcela que posteriormente é enviada para o interior e outra que segue para o exterior, devido a fenómenos de convecção e radiação. A Figura 2.3 ilustra a forma como a radiação que incide num envidraçado se decompõe e põe em evidência as três partes referidas transmitida, reflectida e absorvida. Os quocientes entre cada uma destas partes e a radiação total incidente representam as propriedades ópticas (solares) do vidro e designam-se, respectivamente, por transmitância (τ s ), reflectância (ρ s ) e absortância (α s ). Para além do comprimento de onda, estas propriedades dependem também do ângulo de incidência da radiação. Figura 2.3 Decomposição da radiação solar ao incidir num elemento envidraçado [8]. A transmitância é então definida como sendo a percentagem de radiação que atravessa instantaneamente o vidro e pode ser de vários tipos, consoante o tipo de radiação que se está a tratar. Para além da transmitância solar, existe também a transmitância visível (τ v ), que corresponde à quantidade de luz visível que transpõe o vidro. Quanto maior for a transmitância visível, maior será a quantidade de luz no interior das habitações, sendo possível reduzir o consumo de electricidade. A reflectância consiste na propriedade do vidro em reflectir parte da radiação incidente, ou seja, não é mais nem menos do que a percentagem da radiação total incidente que é reflectida assim que esta atinge o vidro. A absortância é a propriedade do vidro responsável pela absorção de uma parte da radiação incidente, fazendo 10

35 com que este aumente de temperatura. Existe ainda outra propriedade do vidro, que até agora não foi referida, mas que apresenta um especial interesse nas trocas de calor por radiação através de um envidraçado. Esta propriedade designa-se por emitância ou emissividade. A emissividade é a capacidade do vidro absorver e radiar energia a baixa temperatura, processo que pode ser aproveitado para melhorar o desempenho do sistema envidraçado. Apresentado isto, pode dizer-se que a energia solar que passa para o interior das habitações através dos envidraçados é constituída por uma parcela instantânea que passa directamente (τ s I) e por uma parcela diferida (q i ) constituída pela parte da energia que é absorvida e que posteriormente é transferida para o interior por mecanismos de convecção e radiação (Figura 2.3). É então necessário definir um parâmetro que tenha em conta estas duas parcelas, contemplando a totalidade da radiação solar que chega ao interior das habitações. Este parâmetro é designado por factor solar do vidro (g v ) e está definido em [10] como sendo a soma do factor de transmissão directa da energia solar com o factor de transmissão secundário de calor. O factor solar do vidro é definido como sendo o quociente entre o ganho de calor através do envidraçado quer de forma instantânea, consequência da sua transmitância (τ s I), quer a posteriori, consequência da absortância (q i ) e a radiação solar que nele incide (I). A partir da simbologia utilizada, o factor solar do vidro é dado por: = Ganho de calor solar através do vidro Radiação incidente = + = + (2.2) onde f i é a parte da radiação absorvida pelo envidraçado e que posteriormente é transmitida sob a forma de fluxo de calor. Através da expressão (2.2) é possível verificar que quanto menor for o factor solar do vidro, menor será também a quantidade de ganhos solares através deste. Resultando o factor solar do vidro das suas propriedades ópticas, também este depende do ângulo de incidência da radiação. De acordo com [8], até ângulos de cerca de 50 o com a normal ao vidro, o factor solar do vidro tem pouca variação. Quando se tem em conta também a radiação retida pelas partes opacas de uma janela, como por exemplo, os caixilhos, o factor solar do vidro passa a designar-se apenas por factor solar (g). Este factor solar tem em conta o efeito do sombreamento criado pelos caixilhos. Para um envidraçado de uso corrente, o factor solar que lhe está associado não é muitas vezes suficiente para controlar de uma forma eficaz os ganhos de calor que ocorrem através deste. Por esta razão, é muitas necessário acoplar no plano do envidraçado barreiras protectoras contra a entrada dos raios solares, tais como, estores ou portadas. A acção deste tipo de dispositivos amovíveis contra os ganhos solares tem normalmente um factor solar associado o factor solar da protecção (g p ). O factor solar da protecção depende do tipo de protecção e da sua regulação, e é normalmente fornecido pelos fabricantes. Assim, o factor solar associado ao conjunto vidro mais protecção será obtido através da expressão (2.3): 11

36 = (2.3) em que g v e g p são os factores solares do vidro e da protecção, respectivamente. Se existir no conjunto mais do que um vidro ou mais do que uma protecção solar, então o factor solar total será sempre o resultado do produto dos vários factores solares. Nos dias de hoje, é comum recorrer também a meios de sombreamento fixos, quer aplicando palas horizontais e verticais em torno dos envidraçados, quer recorrendo à própria geometria do edifício. Para determinar a radiação total que efectivamente contribui para os ganhos solares através dum vão envidraçado é então essencial conhecer a área deste que fica em sombra. É importante fazer notar que a área do envidraçado que fica em sombra está igualmente sujeita a radiação solar, embora esta seja apenas constituída pela radiação difusa. A área de sombreamento do vão envidraçado irá depender de três factores: dimensão das palas, posição das palas relativamente aos vãos envidraçados e geometria solar. Na Figura 2.4 apresenta-se um vão envidraçado sombreado por uma pala horizontal e outra vertical para uma posição genérica do Sol. Sendo a altura do Sol e o azimute Sol-superfície representados pelos ângulos h e γ, respectivamente, vem que: = cos = tanh = tanω donde tan = =tanh cos e = = tan = = tanω envidraçado: A área de sombra resulta então da subtracção da área iluminada à área total do = = (2.4) 12

37 Figura 2.4 Efeito de sombreamento criado num vão envidraçado por palas horizontal e vertical [8]. Os processos relevantes para as trocas de calor através de um vão envidraçado, apresentados ao longo deste capítulo, irão permitir uma melhor compreensão de todo o restante trabalho. 13

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39 Capítulo 3 Elementos constituintes de uma janela 3.1 Introdução A escolha das diferentes partes constituintes de uma janela, por parte dos projectistas de edifícios habitacionais, tem vindo a tornar-se uma tarefa cada vez mais difícil, devido ao lote alargado de opções actualmente disponíveis no mercado. Este capítulo fornece uma introdução sobre as várias soluções vulgarmente utilizadas para as seguintes partes: vidro, caixilho e dispositivo de sombreamento. Inicialmente, são apresentados os sistemas de vidros convencionais e as suas tecnologias emergentes. Em seguida, apresentam-se os materiais mais comummente utilizados nos caixilhos das janelas, como o alumínio, a madeira e o PVC. Por fim, mostram-se algumas das formas de sombreamento empregues para reduzir o efeito prejudicial da radiação solar durante a estação de arrefecimento. 3.2 Vidro O vidro é um material que confere um fraco isolamento térmico às edificações. Representando ainda uma grande área na envolvente dos edifícios de habitação, as partes envidraçadas constituem zonas propícias às trocas de calor. No Inverno, o elevado coeficiente de transmissão térmica do vidro leva a que as perdas de calor por condução, que ocorrem devido ao diferencial de temperaturas que se faz sentir entre o exterior e o interior, sejam muitas vezes elevadas. Por outro lado, no Verão, as zonas envidraçadas são zonas através das quais os ganhos provenientes da radiação solar se tornam excessivos, levando a situações de desconforto. Assim, torna-se necessário conhecer os diferentes tipos de vidro disponíveis no mercado e as suas principais características térmicas, de forma a escolher-se a melhor solução para cada caso. Inicialmente, as janelas eram constituídas por apenas um vidro, ou seja, por um sistema que possuía somente um pano. Contudo, com o intuito de tornar estas partes dos edifícios mais isolantes, tornou-se prática corrente a utilização de vidros constituídos por múltiplos panos. Com a introdução de um segundo pano é possível incrementar a resistência térmica do vidro para cerca do dobro (reduzindo o valor de U para metade). Ao introduzir-se numa janela um terceiro ou um quarto pano, o coeficiente de transmissão térmica é diminuído 15

40 ainda mais, embora numa proporção cada vez menor. É também importante notar que os vidros triplos e quádruplos reduzem a quantidade de radiação solar e de luz visível que os atravessam e têm um custo superior aos vidros simples ou duplos. A comparação entre as propriedades térmicas de um vidro simples, duplo e triplo é mostrada na Figura 3.1. Tornando-se evidente que a introdução de panos numa janela tem um limite, não apenas por questões físicas, mas também devido aos custos que a introdução de vários panos implica, é possível substituir os panos do meio por películas plásticas. Com esta solução é possível reduzir ainda mais o coeficiente de transmissão térmica e o factor solar do vidro sem incrementar excessivamente a espessura da janela. Para além disso, este tipo de película pode ter as características de uma película de baixa emissividade, cuja descrição se faz mais adiante neste capítulo. Para se conseguir as distâncias adequadas entre os panos de vidro, utilizam-se espaçadores metálicos, normalmente em alumínio. Estes, para além de manterem os panos de vidro separados de uma distância adequada e acomodarem tensões devidas a variações térmicas, desempenham ainda outras funções. Os espaçadores providenciam uma barreira ao vapor de água, evitando a formação de condensações interiores que levariam ao embaciar do vidro. Inicialmente, o espaço entre os panos de vidro era preenchido simplesmente com ar. Contudo, com a necessidade de diminuir as perdas de calor ocorridas através dos envidraçados, os espaços de ar em vidros com múltiplos panos passaram a ser preenchidos com gases menos condutores ou mais viscosos, conseguindo-se, desta forma, tornar mais lentas as correntes de convecção verificadas ao nível dos espaços entre panos. As correntes de convecção, ao terem um movimento mais lento, reduzem significativamente as trocas de calor por condução através do gás, diminuindo o valor de U para toda a janela. Os gases correntemente utilizados para este efeito são o árgon e o crípton, sendo também possível a sua utilização em misturas com ar. Estes gases encontram-se naturalmente na atmosfera e são inertes, não tóxicos, não reactivos, incolores e sem cheiro. O crípton tem um desempenho térmico melhor do que o árgon, mas também um custo de produção superior, sendo muitas vezes utilizado quando se pretende um maior isolamento térmico com espaçamentos entre vidros menores. Importa referir que o espaçamento ideal entre vidros com árgon é de 12 a 13 mm [5], o mesmo do que para o ar. A longevidade duma solução deste tipo passa pela qualidade do material isolante, sobre o qual assentam os espaçadores metálicos, e pela qualidade de execução deste isolamento. Com o passar dos anos é natural que se vá perdendo alguma quantidade de gás, aumentando o valor do coeficiente de transmissão térmica em relação à solução inicial. Estudos realizados mostram que em espaços de gás bem isolados, a perda de gás é cerca de 10% em 20 anos [5]. 16

41 Figura 3.1 Comparação dos valores de U, g v e τ v entre um vidro simples, duplo e triplo. Os valores apresentados foram obtidos através do programa WINDOW5 e são referentes apenas ao vidro, sem qualquer tipo de caixilho. O valor de U é dado em W/m 2o C. No quadro seguinte é possível comparar os valores do coeficiente de transmissão térmica, factor solar e transmitância visível para vidros duplos e triplos que utilizam diferentes gases nos espaçamentos interiores. Os resultados foram obtidos com recurso ao programa 17

42 WINDOW5 para vidros com as espessuras indicadas na Figura 3.1. Através da análise do Quadro 3.1, consegue-se concluir que o factor solar e transmitância visível do vidro são independentes do tipo de gás utilizado. Verifica-se, também, que o gás que conduz a um menor valor de U é o xénon. Gás Vidro Duplo Vidro Triplo U g v τ v U g v τ v Ar Árgon Crípton Xénon Ar (5%) / Árgon (95%) Ar (10%) / Árgon (90%) Ar (5%) / Crípton (95%) Ar (12%) / Árgon (22%) / Crípton (66%) Quadro 3.1 Comparação dos valores de U, g v e τ v para vidros duplos e triplos utilizando diferentes gases no espaço entre panos. Os valores apresentados foram obtidos através do programa WINDOW5 e são referentes apenas ao vidro, sem qualquer tipo de caixilho. As espessuras dos panos e espaços entre estes são as indicadas na Figura 3.1. O valor de U é dado em W/m 2o C. Terminada a apresentação geral sobre os sistemas de vidros correntemente utilizados em edifícios de habitação, descreve-se em seguida dois tipos de vidros com características especiais, nomeadamente o vidro com controlo solar e o vidro com película de baixa emissividade Vidro com controlo solar O vidro com controlo solar, vulgarmente designado por vidro colorido, era sobretudo utilizado em edifícios de escritórios. Contudo, hoje em dia, é cada vez mais frequente a sua presença em habitações construídas recentemente. Este tipo de vidro está disponível em várias cores, sendo as mais comuns, cinza, bronze, azul e verde. No que diz respeito ao processo de fabrico, o vidro colorido é conseguido por alteração da formulação química do vidro normal através da introdução de aditivos inorgânicos especiais. Os vidros coloridos reduzem o brilho da vista exterior e alteram a sua cor. Os vidros de cor cinzenta, bronze, azul e verde são os que menos alteram a cor da vista para o exterior, daí o facto de serem as cores mais utilizadas. A densidade da cor está relacionada com a espessura do vidro. Estes vidros conferem também uma maior privacidade às habitações, pois torna-se mais difícil de ver para o interior, embora à noite aconteça precisamente o contrário: quando a claridade no interior das habitações devido à iluminação artificial é superior à do exterior, o vidro inverte as suas características de espelho. 18