Energia nos edifícios

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1 Energia nos edifícios Samuel Niza

2 Consumo global de energia nos edifícios Em 2010, os edifícios representaram 35% do uso global final de energia e 19% de todas as emissões de gases de estufa. 2 Consumo final de energia por setor e mix energético dos edifícios (IEA, 2013)

3 Consumo global de energia nos edifícios Uma grande diferença no uso de energia per capita final em edifícios: em países frios pode 3 ser 5 10 vezes maior do que nas regiões quentes, como a África ou América Latina. Uso anual de energia de edifícios residenciais e comerciais a nível global

4 Contexto Europeu Os edifícios consomem cerca de 40% das necessidades energéticas finais totais na Europa. 4 No contexto de todos os setores de utilização final, os edifícios representam o maior setor, seguido pelos transportes com 33%. O parque imobiliário (residencial e não residencial) é o principal consumidor de energia na Europa. Comparação da emissão mundial de CO 2 no setor residencial Consumo energético final por setor na UE

5 Contexto Português Consumo de energia final por setor em Portugal 5 Evolução do consumo de energia total per capita e por setor de

6 Contexto Português Evolução do consumo de energia no setor doméstico (tep) por tipo de fonte 6 O setor doméstico sofreu mudanças significativas no consumo de energia. Se até 2002 a madeira-biomassa foi a mais consumida, a partir de 2003 a eletricidade é o consumo fonte dominante.

7 Contexto Português Distribuição do tipo de fonte no número de alojamentos. 7

8 Contexto Português Edifícios Residenciais 8 A despesa total por agregado familiar foi, em média, 1 843EUR, incluindo os gastos com veículos. A eletricidade surge como a principal fonte de energia consumida nos lares, representando 42,6% do consumo total de energia (excluindo os combustíveis utilizados nos veículos). A lenha surgiu como a segunda maior fonte de energia consumida nos lares portugueses, com 24,2% no consumo total de energia no setor doméstico.

9 Contexto Europeu Mix Energético em edifícios residenciais Sul Norte e Oeste Centro e Este Biomassa 27% 21% 20% 37% Eletricidade 18% 13% 1% 37% Aquecimento urbano 29% Carvão 1% 41% Portugal 9 Petróleo 32% 20% 3% 17% Gás 23% 39% 7% 9% LPG, DH, RES 6%

10 Contexto Europeu Diferentes cenários para metas de redução de CO Regulação e prática efetiva podem forçar a redução das emissões de CO 2, cumprindo a meta e travando a escassez de energia. Profunda reforma que inclui nzeb para reduzir o consumo de energia e a emissão de CO 2. Porquê melhorar: Situação UE Todavia, o desempenho energético dos nossos edifícios é geralmente tão fraca que os níveis de energia consumida nos edifícios colocam o setor entre as mais significativas fontes de emissão de CO 2. Com o seu potencial para proporcionar uma poupança de energia elevada e reduzir emissões CO 2, bem como inúmeros benefícios sociais, a eficiência energética em edifícios pode ter um papel fundamental num futuro sustentável. - BPIE.

11 4 principais estratégias de redução de consumo energético nos edifícios (Harvey, 2010) 1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de uma envolvente de alto desempenho

12 Envolvente do Edifício 12 Definição Todo o elemento do edifício que separe os espaços climatizados do ambiente exterior, de espaços não climatizados ou de outras construções adjacentes. Desvão Espaço climatizado

13 Envolvente do Edifício 13 Elementos da envolvente Elementos verticais Paredes Pilares e vigas Elementos horizontais Coberturas Pavimentos em contacto com o solo ou em contacto com o exterior Portas e envidraçados Sistemas de sombreamento

14 4 principais estratégias de redução de consumo energético nos edifícios (Harvey, 2010) 1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de uma envolvente de alto desempenho

15 4 principais estratégias de redução de consumo energético nos edifícios (Harvey, 2010) 1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de envolvente de desempenho elevado 2. Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de aquecimento solar, ventilação e arrefecimento.

16 Técnicas passivas de aquecimento solar, ventilação e arrefecimento

17 4 principais estratégias de redução de consumo energético nos edifícios (Harvey, 2010) 1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de envolvente de desempenho elevado 2. Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de aquecimento solar, ventilação e arrefecimento. 3. Utilizar os equipamentos mecânicos mais eficientes para atingir as restantes cargas necessárias ao conforto

18 4 principais estratégias de redução de consumo energético nos edifícios (Harvey, 2010) 1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de envolvente de desempenho elevado 2. Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de aquecimento solar, ventilação e arrefecimento. 3. Utilizar os equipamentos mecânicos mais eficientes para atingir as restantes cargas necessárias ao conforto 4. Assegurar que os equipamentos que utilizam energia na habitação são o mais eficientes possível e de dimensão apropriada Consumo anual (kwh/ano)

19 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício O Edifício troca energia térmica para o ambiente exterior: 19 Pela cobertura Pelas paredes Pelos envidraçados e pelas portas Por infiltração através de frinchas. Para o solo Pela cobertura Pelos envidraçados Pelas paredes Devido às infiltrações Para o solo

20 Balanço térmico de um edifício

21 Balanço térmico de um edifício Componentes do balanço térmico: Radiação solar Trocas de ar (ventilação e infiltração) Envolvente (condução combinada com convecção e radiação térmica nas superfícies) Ganhos internos

22 Princípios físicos a ter em conta na térmica dos edifícios - Processos de transferência de calor entre o interior e o exterior do edifício - Processos de distribuição do calor, frio e ar fresco dentro de um edifício - Perceção humana da temperatura

23 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício A transferência de calor pela envolvente de um edifício dá-se por: - Condução molecular - Convecção - Trocas radiativas - Passagem de ar através de fugas na envolvente 23

24 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Trocas de calor (Q): Q Cond = n i=1 U i. A i. T int T ext U i - Coeficiente de transferência de calor do elemento i (W/m 2.ºC); A i - Área do elemento i (m 2 ); T int - Temperatura interior (ºC); T ext - Temperatura exterior (ºC);

25 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício O coeficiente de transferência de calor também é resultado de: U = λ l λ condutividade térmica do material (W/m.ºC) l espessura da camada do material (m) A resistência térmica é o inverso do coeficiente de transferência de calor: R = 1 U = l λ

26 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício A condutividade térmica de um betão ser 1,75 W/m. o C significa que se uma parede de betão tiver 1m de espessura, a sua face externa estiver a 20 o C e a face interna estiver a 21 o C, o fluxo de calor que a atravessaria em cada m seria igual a 1,75W (ou 1,75 Js -1 )

27 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício O calor perdido por uma camada de material será tanto menor quanto mais espessa esta for e quanto mais baixa for a sua condutividade térmica Elemento Construtivo, λ Lâmina de ar/ fronteira térmica, 1/h si (R si ) Lâmina de ar/ fronteira térmica, 1/h se (R se ) T i Q T si Q Espaço condicionado, T i T se Ambiente exterior, T e T e l

28 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Perdas térmicas pelas paredes 28 Mecanismo típico de convecção condução Temperatura interior superior à temperatura exterior T i >T si >T se >T e Q = U (Ti T e ) 1 U = 1 + l h si λ + 1 h se

29 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Parede multicamada para uma condução de calor em estado estacionário numa dimensão 29 = l 1 λ 1 + l 2 λ 2 + l 3 λ 3 + l 4 λ 4 + l 5 λ 5

30 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício 30 Nestas superfícies há troca de calor através de: Convecção com o ar ambiente; Radiação de largo intervalo de comprimento de onda com as superfícies vizinhas. Mas, na prática o que sabemos a partir dos dados climáticos é a temperatura do ar adjacente às superfícies (ex. temperatura no exterior e a temperatura da divisão)

31 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Ou seja, é comum: Assumir que a temperatura das superfícies adjacentes igualam a temperatura do ar; Usar um coeficiente de troca superficial que contabiliza simultaneamente a convecção e a radiação térmica. 31 = 1 h i + i l i λ i + 1 h e

32 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Ganhos térmicos pelas paredes 32 T se >T si Calor é transferido para o interior do edifício por radiação solar, conduzindo ao aumento significativo da temperatura superficial da parede exterior, superior à temperatura interior do edifício. Q ganhos = λ l (T se T si ) O Fenómeno é observado em paredes orientadas a Este, Oeste e Sul.

33 Temperatura oc Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Exemplo de trocas térmicas pelas paredes 33 25,00 Distribuição da temperatura através de uma seção de parede orientada a Oeste no inverno durante a tarde 20,00 Internal Room Temperature 15,00 10,00 5,00 Internal West Wall Surface Temperature External West Wall Surface Temperature Ambient Temperature 0,00 27/01/ :00 27/01/ :00 28/01/ :00 28/01/ :00 29/01/ :00 Tempo

34 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura 34 Perdas térmicas baseiam-se no mecanismo típico de convecção-conduçãoconvecção (como na parede apresentada anteriormente). Ganhos térmicos devido à radiação solar. Perdas térmicas intensificadas devido à radiação em noites de céu limpo.

35 Temperatura (oc) Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura 35 20,00 Distribuição da temperatura em seção da cobertura no inverno 15,00 Internal Roof Temperature External Air Temperature 10,00 5,00 Intrnal Roof Surface Temperature External Roof Surface Temperature 0,00 29/12/ :00 29/12/ :00 30/12/ :00 30/12/ :00 30/12/ :00 30/12/ :00 Tempo

36 Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura 36 Em noites de céu limpo, a temperatura da superfície exterior da cobertura desce abaixo da temperatura do ambiente exterior. As diferenças de temperatura observadas podem chegar aos 7-8ºC. Isto resulta em perdas térmicas intensificadas através da cobertura. T i >T si >T se, T se <T e Q U(Ti To) Trocas por radiação, não por condução-convecção!

37 Envolvente de elevado desempenho A eficiência da envolvente em termos térmicos depende dos níveis de isolamento das paredes, cobertura e pavimento em contacto com o solo U = λ l As habitações mais isoladas têm um coeficiente de transferência de calor de U= W/m 2 / o C Celulose projetada Espuma expandida Painéis de isolamento a vácuo Cortiça W/m/ o C

38 Exs medidas passivas e ativas para a ef. energ. Medidas passivas - Isolamento Térmico (interior ou exterior) - Janelas isolantes (ex. Vidro duplo e caixilharia metálica com corte térmico) - Sombreamento - Ventilação natural Medidas ativas - Solar Térmico - Solar Fotovoltaico - Iluminação eficiente (ex. LED) - Sistemas de Climatização mais eficientes

39 Materiais de Isolamento Térmico 39 Inorgânicos Espumas Espuma de vidro Fibras Lã de vidro Lã de rocha Orgânicos Espumas Poliestireno expandido - EPS Poliestireno extrudido - XPS Espuma de poliuretano Espumas expandidas cortiça Espuma de melanina Espuma de fenol Lã de vidro XPS EPS Cortiça Espuma de vidro

40 Materiais de Isolamento Térmico 40 Orgânicos (cont.) Fibras Lã (ovelha) Lã (algodão) Fibras de coco Celulose Cortiça Combinados Silicato de cálcio Espuma de gesso Lã (madeira) Compósitos de cimento Com fibra de vidro Celulose Painéis de espuma cimentícia Painéis de espuma cimentícia (ex. c/ poliuretano). Compósitos reforçados com fibra de vidro Espuma de gesso

41 Materiais de Isolamento Térmico 41 Materiais mais recentes Painéis de isolamento a vácuo (VIP) Painéis preenchidos com gás (GFP) Aerogéis Materiais refletivos e barreiras de radiação Materiais de mudança de fase (PCM) Materiais e tecnologias futuras Materiais de isolamento a vácuo (VIM) Materiais de isolamento gasoso (GIM) Materiais de nano-isolamento (NIM) Materiais de isolamento dinâmico (DIM)

42 Materiais de Isolamento Térmico 42 Materiais de isolamento tradicionais em edifícios Resumo das propriedades gerais Material Condutibilidade térmica - (W/.m o C) Resistência ao calor Resistência ao fogo Permeabilidade à água Envelhecimento Resistência a parasitas Lã mineral 0,03-0,04 Excelente Excelente Elevado Excelente Excelente EPS 0,03-0,04 Bom Fraco Elevado Excelente XPS 0,03-0,04 Bom Fraco Medio Excelente Cortiça 0,04-0,05 Bom Fraco Elevado Excelente Vulnerável a ratos Vulnerável a ratos Vulnerável a ratos PUR 0,02-0,03 Medio Fraco Pouco Excelente Excelente Celulose 0,04-0,05 Medio Fraco Elevado Bom Vulnerável a ratos e insetos

43 Envolvente de elevado desempenho A eficiência da envolvente em termos térmicos depende dos níveis de isolamento das janelas Oferecem uma resistência substancialmente menor à perda de calor do que paredes isoladas Janelas da vidro simples têm um valor U típico de 5W/m2. o C Janelas de vidro duplo têm um valor U típico de 2.5W/m2. o C que pode ser reduzido para 2.4W/m2. o C ou 2.3W/m2. o C com Argon e Krypton Janelas duplas e triplas com vácuo podem reduzir o U a 1.2 e 0.2W/m 2. o C U = λ l Q U T Area

44 Envolvente de elevado desempenho A eficiência da envolvente depende dos ganhos/perdas de energia por radiação Janelas permitem a entrada de energia solar mas evitam radiação infravermelha O fator solar ou coeficiente de ganho de calor solar é a fração da radiação solar incidente que se transfere para o lado interno, tanto direta como indiretamente

45 Envolvente de elevado desempenho Revestimentos de baixa emissividade reduzem a absorção de radiação de onda larga, i.e., conseguem reduzir a perda de calor da radiação infravermelha no inverno 45 Revestimento de baixa emissividade (low-e): Usada em vidros duplos ou triplos Aplicado na superfície exterior da camada interior Limita perdas térmicas do interior para o exterior (atua como uma barreira de calor efeitos indesejáveis no verão).

46 Envolvente de elevado desempenho 46 Revestimento solar protetivo: Usado em vidros duplos ou triplos Aplicado na superfície exterior do elementos exteriores Limita ganhos internos da radiação solar direta (útil no verão para evitar sobreaquecimento, efeito indesejável no inverno) Reduz a iluminação do espaço

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48 Janelas e Sistemas de Sombreamento Requisitos para envidraçados e sistemas de sombreamento: 48 Limitar perdas térmicas para o exterior o o Perdas típicas (tal como nas paredes). Perdas por infiltração. Controlo da radiação solar direta que entra no edifício o Radiação solar direta proporciona ganhos de calor para os espaços interiores durante o inverno. o Exposição solar direta aumenta as necessidades energéticas de arrefecimento durante o verão Contacto visual com o ambiente exterior o Contacto visual direto com o exterior (apesar da existência de elementos de sombreamento) é benéfica à saúde psicológica dos ocupantes.

49 Janelas e Sistemas de Sombreamento 49 Requisitos para envidraçados e sistemas de sombreamento (cont.): Controlo de brilho Dependendo do espaço de trabalho, podem existir restrições às intensidades luminosas desejadas no edifício (p. e. espaços de escritórios com computadores). Iluminação de espaços interiores Luz artificial aumenta ganhos e custos de operação Iluminação natural é benéfica para a saúde dos ocupantes.

50 Janelas e Sistemas de Sombreamento 50 Categorias de sistemas de sombreamento baseadas na instalação Sistemas instalados pelo exterior Sistemas integrados nos envidraçados Sistemas instalados pelo interior Tipologias de sistemas de sombreamento Persianas Estores venezianos Toldos Telas Persianas Persianas Persianas verticais Persianas blindadas

51 Envolvente de elevado desempenho A eficiência da envolvente depende das fugas de ar

52 Envolvente de elevado desempenho A eficiência da envolvente depende das fugas de ar Careful application of a continuous air barrier can reduce rates of air leakage by a factor of 5 to 10 compared to standard practice (enforcement of careful workmanship during construction) Buildings with very low air leakage require mechanical ventilation (95% of the available heat in the warm exhaust air can be transfered to the incoming cold air) to keep indoor air quality

53

54 Forma, orientação e envidraçado (%) Forma do edifício Tem impactes significativos nas cargas de aquecimento e arrefecimento e iluminação natural devido à relação entra a área superficial e o volume Qual das formas minimiza a transferência de calor por condução e convecção?

55 Forma, orientação e envidraçado (%) Orientação Para edifícios retangulares a orientação ótima é com a fachada principal orientada a sul

56 Energy Intensity (kwh/m 2 /yr) Forma, orientação e envidraçado (%) Fração de envidraçado Frações de envidraçado elevadas aumentam as necessidades energéticas para aquecimento e arrefecimento O benefício de luz natural adicional é baixo quando a fração de envidraçado aumenta além dos 30%-50% do total da fachada % Base 60% Base 60% Upgraded 100% Base 100% Upgraded Heating Cooling Lighting Equipment Pumps & fans Server rooms

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