CAPÍTULO 5 Aplicação do programa a um caso prático

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1 CAPÍTULO 5 Aplicação do programa a um caso prático 5.1 Introdução Uma vez desenvolvido o programa, este foi testado com o objectivo de verificar a sua eficácia. Para isso, utilizou-se uma simulação efectuada em 1989 numa das células de teste existentes no campi do INETI no Porto CAT1 (Célula de Teste 1), por existir informação bastante detalhada acerca dessas experiências, quer do ponto de vista construtivo e geométrico quer do ponto de vista climático. A simulação foi feita para um mês de Inverno (Dezembro), tendo-se obtido a evolução da temperatura ambiente no interior da célula ao longo desse mês, em função dos valores medidos da temperatura ambiente exterior e da radiação solar incidente e das características termofísicas da envolvente. Os valores simulados foram posteriormente comparados com os valores medidos da temperatura ambiente verificada no interior da célula, para o mesmo período. A tabela 5.1 mostra-nos as coordenadas da célula estudada no globo terrestre. Estes valores são necessários para a definição do cálculo dos ângulos solares. Tabela 5.1 Coordenadas da CAT1 Latitude Longitude 41.9º N 8.37º W 5.2 A célula de teste A célula de teste utilizada neste trabalho fazia parte de um conjunto de seis células de teste existentes no campi do INETI no Porto. A célula de teste, como se pode ver na figura 5.1, consiste numa construção monozona, à escala real, perfeitamente orientada a Sul, e cujas dimensões interiores são as que constam da tabela 5.2 [4,41]: Tabela 5.2 Dimensões da CAT1 Largura (m) Profundidade (m) Altura (m) 4. m 3. m 2.55 m capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 111

2 Figura 5.1 A célula de teste estudada (CAT1) Na figura 5.2 podem ver-se alguns pormenores (alçado, planta e corte) da CAT1. SUL ESTE 1 PLANTA 1' CORTE 1-1' Figura 5.2 Planta, alçados e corte do CAT1 A CAT1 dispunha apenas de um sistema de ganho directo, apresentando o envidraçado uma área de captação de 3.6m 2. A estrutura desta célula de teste consiste no seguinte: capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 112

3 Paredes Exteriores blocos maciços de betão de 2 cm de espessura, revestidos pelo exterior com 5 cm de isolamento (Dryvit poliestireno expandido com reboco exterior). A superfície interior foi regularizada com uma camada de 1.5 cm de reboco. As paredes são pintadas tanto no interior como no exterior de cor clara (cor creme). Laje de Pavimento laje maciça de betão de 2 cm de espessura isolada pelo exterior com uma camada de 3 cm de espessura de Roofmate (poliestireno extrudido). Esta laje não se encontra em contacto com o solo de fundação tendo sido feita a elevação da célula para evitar os problemas resultantes do contacto da laje com o terreno. A superfície interior foi regularizada com uma camada de 1.5 cm de argamassa sendo a cor final a do cimento (cinzento). Laje de Cobertura laje aligeirada com blocos cerâmicos de 12 cm 22 cm, separados por vigotas de betão armado pré-esforçado de 12 cm e cobertos com uma camada de 3 cm de betão seguida de uma camada de 3 cm de isolamento (placas de poliestireno expandido). A superfície interior foi regularizada com uma camada de 1.5 cm de reboco pintado de cor clara. Envidraçado O vão envidraçado, localizado na fachada Sul, tem 2.29 m de altura e 2.34 m de largura (dimensões exteriores). A janela, com caixilharia de madeira, é constituída por três envidraçados com 1.2 m 2 cada. As propriedades térmicas dos materiais e os valores dos coeficientes de convecção, emissividades e coeficientes de absorção, são as que constam das tabelas 5.3 e 5.4 [4]: Tabela 5.3 Propriedades térmicas dos materiais constituintes da envolvente Material λ ρ (W/mK) (J/kg K) (kg/m 3 ) Betão Bloco Cerâmico Barro Ar Roofmate Dryvit Poliestireno Expandido Reboco c p capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 113

4 Tabela 5.4 Coeficientes de convecção, emissividade e de absorção dos materiais da envolvente Elemento α (W/m 2 K) ε a Paredes Face Ext Exteriores Face Int Laje de Face Ext Pavimento Face Int Laje de Face Ext Cobertura Face Int Para a simulação da célula de teste era também necessário conhecer o número de renovações de ar por hora aí verificado. O valor usado foi de.3 resultante de medições efectuadas no decurso de outros estudos [4,41]. 2.cm 2.cm Elemento de Pavimento 12.cm 3.cm 3.cm 1.5cm 3.cm Elemento de Tecto 1.5cm 5.cm 1.5cm Elemento de Parede Figura 5.3 Elementos da envolvente Na tabela 5.5 e 5.6 podem ver-se os coeficientes U dos elementos da envolvente. Tabela 5.5 Coeficientes U dos elementos da envolvente Elemento U (W/m 2 K) Paredes.6919 Pavimento.8698 Cobertura.827 capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 114

5 Tabela 5.6 Espessura e coeficiente U do vidro espessura U Elemento (mm) (W/m 2 K) Vidro Recolha de dados O comportamento da célula foi simulado para um mês de Inverno, Dezembro de 1989, durante o qual os valores horários da temperatura ambiente exterior e da radiação solar global em superfície vertical orientada a Sul foram medidos por uma sonda de temperatura e um piranómetro pertencentes a uma estação meteorológica montada no campi do INETI, junto às células de teste. Os valores horários da temperatura ambiente efectivamente verificada no interior da CAT1 encontravam-se disponíveis para o mesmo período, tendo sido medidos por um termopar do tipo T colocado no interior da célula a meio do compartimento. Todos os sensores foram calibrados individualmente [42]. O mês de Dezembro foi escolhido por ser o mês que apresentava menos falhas nos valores horários medidos, quer das temperaturas ambientes, quer da radiação solar incidente. 5.4 Validação do modelo matemático desenvolvido Uma vez conhecidas as características geométricas da célula, as propriedades termofísicas dos elementos pertencentes à sua envolvente e os valores horários das solicitações exteriores, é possível determinar a evolução da temperatura no interior da célula de teste. Para o fazer é também necessário conhecer, para cada um dos elementos pertencentes à envolvente, a equação característica desse elemento que relacione o calor nele armazenado em vinte e quatro horas com a energia solar incidente e com a amplitude térmica diária verificada no espaço em estudo. Para a CAT1, essas equações, encontravam-se disponíveis em [2,34,37]: Parede Exterior a receber radiação apenas na face interior: 2 Qarm =.29 TR R +.91 T.783 ( MJ / m ) (5.1) i i + Laje de Pavimento: 2 Qarm =.53 TR R T.971 ( MJ / m ) (5.2) i i + capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 115

6 Laje de Cobertura: 2 Qarm =.1256 T ( MJ / m ) (5.3) Uma vez todos estes elementos disponíveis, foi simulado o comportamento da célula de teste para o mês de Dezembro de Os resultados obtidos por simulação e os medidos no interior da célula podem ser observados na figura 5.4. Observando os resultados, verifica-se que os valores obtidos por simulação possuem um andamento semelhante aos valores medidos e, tendo em conta as diversas simplificações efectuadas, e uma vez que se trata de um método aproximado, os resultados obtidos parecem bastante satisfatórios dado que o erro relativo médio obtido foi de 1.7ºC Temperatura (ºC) Período de Simulação (horas) Tint. M edição Tint. Simulação Figura 5.4 Gráfico comparativo entre os valores da temperatura medida e simulada na CAT1 Na figura 5.4 são apresentados os valores da evolução da temperatura ambiente ao longo do tempo. No entanto, é também interessante conhecer a capacidade térmica efectiva desse espaço, que é um parâmetro que vai depender da amplitude térmica aí verificada. Na figura 5.5 e 5.6 pode-se observar, para o caso estudado, a variação do Ceff ao longo do período de simulação, e na figura 5.7 a variação do Ceff com a amplitude térmica para toda a envolvente. Pela análise deste último gráfico, podemos verificar que quanto menor for o valor do Ceff, maior é a amplitude térmica verificada. capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 116

7 Período de Simulação (horas) Ceff Figura 5.5 Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (horas) Período de Simulação (dias) Ceff Figura 5.6 Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (dias) Amplitude Térmica (ºC) Ceff Figura 5.7 Variação do Ceff com a amplitude térmica capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 117

8 Com o método implementado, como a capacidade térmica efectiva da envolvente do espaço não climatizado depende das solicitações a que está submetida, é um parâmetro variável no tempo. Ao contrário de outros estudos [31,32,33,43] que associam a capacidade de armazenamento apenas às características termofísicas da envolvente, e por isso apresentam um valor único constante característico do espaço, com o método desenvolvido, o Ceff varia, para cada instante, com as flutuações da temperatura ambiente interior e com o valor da radiação solar incidente, como se pode observar respectivamente nas figuras 5.8 e 5.9 para o caso estudado relativo ao mês de Dezembro Temperatura (ºC) Período de Simulação (horas) Tint. Simulação Tint. Medição Ceff Figura 5.8 Capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior Radiação Solar (W/m2) Período de Simulação (horas) Radiação exterior Ceff Figura 5.9 Capacidade térmica efectiva e radiação solar exterior capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático 118