Soluções Construtivas Influência da Inércia Térmica nos Consumos de Energia

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1 Soluções Construtivas Influência da Inércia Térmica nos Consumos de Energia Autoria do Trabalho: António M. Raimundo, David A. Mateus, Dep. de Eng. Mecânica, FCTUC, Universidade de Coimbra, 1. INTRODUÇÃO Uma parte significativa dos consumos de energia associados ao funcionamento de um edifício de serviços deve-se à climatização. Assim sendo, a necessidade da sua redução torna-se importante. De entre as várias características construtivas de um edifício com influência no seu consumo de energia para climatização destacam-se a sua arquitectura solar passiva, a área, propriedades, orientação solar e sombreamentos dos envidraçados, a área e o coeficiente de transferência superficial das soluções construtivas e a inércia térmica do edifício. A primeira abordagem para reduzir os consumos de energia com a climatização de um edifício de serviços passa pelo recurso a soluções construtivas termicamente bem isoladas (logo com baixos valores de coeficiente de transferência superficial) e envidraçados que apesar de permitirem uma boa entrada de iluminação natural tenham poucos ganhos térmicos solares. No entanto, os consumos com a climatização também dependem da inércia térmica dos materiais utilizados na construção do edifício, nomeadamente se o mesmo estiver equipado com sistemas destinados à minimização de consumos térmicos (Xu 2006; Raimundo e Gaspar 2010). Assim, este trabalho tem como objectivo caracterizar o comportamento de um edifício de serviços em função da inércia térmica dos materiais utilizados na sua construção. Para realizar este estudo escolheram-se dois edifícios com utilização muito diferente entre si, um lar de idosos (cargas térmicas internas reduzidas e ocupação permanente) e um supermercado (cargas térmicas internas elevadas e ocupação intermitente cíclica). O comportamento térmico e energético dos dois edifícios é analisado para três classes de inércia (forte, média e fraca) assumindo a existência ou não de sistemas de recuperação do calor contido no ar de rejeição e a existência ou não de sistemas de freecooling. O comportamento térmico e energético dos edifícios foi obtido através de simulação dinâmica detalhada multizona com recurso ao programa EnergyPlus através da sua interface gráfica DesignBuilder. Trata-se de um software que executa a simulação de um edifício completo, através do qual é possível analisar o conforto dos ocupantes e contabilizar os consumos de energia para aquecimento, arrefecimento, iluminação, ventilação, águas quentes sanitárias e para outros processos. O EnergyPlus baseia-se numa das metodologias de cálculo descritas na norma EN ISO e, conforme o exigido pela regulamentação nacional (RSECE, 2006), encontra-se acreditado segundo a norma ASHRAE CLASSE DE INÉRCIA TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS Pode entender-se por inércia térmica de um edifício como a capacidade que os seus elementos construtivos têm em captar e armazenar calor e em devolvê-lo posteriormente. Se o edifício e os seus sistemas energéticos forem construídos de modo a que o calor seja armazenado quando se encontra em excesso e fornecido ao ar interior quando ele está mais frio que o desejável, os picos de calor e de frio são suavizados ou mesmo anulados e é necessária menos energia para manter condições de conforto (Raimundo e Gaspar 2010). A inércia térmica de um edifício está directamente relacionada com a massa e com a capacidade térmica das suas soluções construtivas. Em termos genéricos, a inércia de uma solução construtiva aumenta com a massa dos materiais que a compõem e com a facilidade com que estes trocam calor com o ar interior. Ou seja, a inércia de um elemento construtivo é anulada pela aplicação de isolamento térmico pelo lado em contacto com o interior e é maximizada se o isolamento térmico for aplicado pelo exterior. A aplicação de isolamento térmico no interior de uma solução construtiva da envolvente anula a contribuição da massa dos materiais localizados para o exterior deste. Por outro lado, a colocação de isolamento no interior de um elemento de compartimentação interior não altera a inércia do edifício. Inicialmente pensou-se em considerar os edifícios construídos com determinados tipos de soluções construtivas e apenas alterar a densidade dos materiais para desse modo obter a inércia térmica desejada. Tal não foi feito por se considerar mais interessante realizar a análise recorrendo a soluções construtivas usualmente utilizadas em Portugal. Para definição da classe de inércia térmica utilizam-se neste trabalho os limites sugeridos pelo RCCTE (Decreto-Lei 80/2006), em que a inércia térmica de um edifício é classificada em função do índice de inércia (I t ) do mesmo, definido como a razão entre a massa superficial útil (M si ) das soluções construtivas associadas aos espaços climatizados e a área de pavimento (A p ) desses mesmos espaços (I t = M si / A p ), conforme se apresenta na Tabela 1. TABELA 1. CLASSES DE INÉRCIA SEGUNDO O RCCTE (DL 80/2006). Classe de inércia I t [ kg / m 2 ] Fraca I t < 150 Média 150 I t 400 Forte I t > /

2 3 - CARACTERIZAÇÃO DOS EDIFÍCIOS Em termos de exposição climática ambos os edifícios foram considerados localizados na periferia da cidade de Coimbra, cujo clima em termos nacionais pode ser considerado como médio (zona climática I1 - V2 norte). Em ambos os edifícios existe ventilação mecânica em todos os espaços, a qual cumpre os requisitos mínimos impostos pelo RSECE para o caudal de ar novo. A climatização é assegurada por um sistema baseado num Chiller / bomba de calor (com COP = 4 para a função de aquecimento e EER = 3 para a de arrefecimento), com subsistema de distribuição a água a 4 tubos e ventiloconvectores como unidades terminais. No caso de existir freecooling, este só está activo quando a temperatura do ar exterior é pelo menos 4ºC inferior à do ar interior e apenas durante os meses de Maio a Setembro. No caso de existir, a recuperação de calor do ar de rejeição é efectuada com uma eficiência de 60% e só está activa de Novembro a Março (assume-se que durante os restantes meses é feito um by-pass ao recuperador). Nas zonas em que está disponível sistema de climatização impôs-se para o ar interior uma temperatura mínima de 20ºC para a estação de aquecimento e uma temperatura máxima de 25ºC para a de arrefecimento, não sendo imposto qualquer set-point de temperatura nas zonas não climatizadas. Não foram impostos setpoints para a humidade relativa do ar interior. As soluções construtivas foram escolhidas de modo a obter a inércia térmica pretendida para o edifício em questão. No en - tanto e por terem pouco impacto em termos de inércia, alguns elementos foram mantidos inalterados e iguais para ambos os edifícios, os quais se apresentam a seguir (com os materiais a serem especificados do exterior para o interior): - Pilares exteriores constituídos por 2 cm de reboco tradicional, 22 cm de betão armado, caixa-de-ar não ventilada com 1 cm, 4 cm de isolamento XPS, tijolo furado de 7 cm e 2 cm de reboco; - Vigas exteriores constituídas por 2 cm de reboco tradicional, 20 cm de betão armado, caixa-de-ar não ventilada de 3 cm, 4 cm de XPS e 2 cm de reboco; - Pilares interiores formados por 2 cm de reboco, 20 cm de betão armado e 2 cm de reboco (que no caso de estarem em contacto com um espaço não climatizado acresce 4 cm de XPS e tijolo furado de 4 cm); - Paredes em contacto com o solo constituídas por 20 cm de betão armado, sistema de impermeabilização, 4 cm de XPS, tijolo furado de 4 cm e 2 cm de reboco; - Caixa de estore constituída por 2 cm de reboco, 5 cm de betão armado, 20 cm de espaço-de-ar fortemente ventilado, 4 cm de XPS, 5 cm de betão armado e 2 cm de reboco; - Envidraçados simples, de correr, com caixilharia em alumínio com corte térmico, vidro duplo incolor (4+12+6) e com persianas exteriores de réguas horizontais plásticas (lar de idosos) ou sem dispositivos de protecção solar (supermercado). Foram utilizadas as seguintes soluções construtivas para a obtenção de inércia térmica forte, em que os sucessivos materiais estão especificados do exterior para o interior: - Paredes exteriores constituídas por 2 cm de reboco, tijolo furado de 15 cm, de caixa-de-ar com 2 cm, 4 cm de isolamento XPS, tijolo furado de 11 cm e reboco com 2 cm; - Paredes interiores em contacto com espaços não climatizados compostas por 2 cm de reboco, tijolo furado de 7 cm, 4 cm de XPS, tijolo furado de 11 cm e 2 cm de reboco; - Paredes interiores de compartimentação constituídas por 2 cm de reboco, tijolo furado de 11 cm e 2 cm de reboco; - Cobertura exterior formada por 5 cm de seixo, 3 cm de betonilha, sistema de impermeabilização, 4 cm de XPS, 28 cm de betão armado e 2 cm de reboco; - Lajes compostas por 2 cm de reboco, 28 cm de betão armado, 4 cm de XPS, 3 cm de betonilha e mosaico cerâmico (ou pavimento flutuante); - Pavimento térreo formado por 10 cm de betão, sistema de impermeabilização, 4 cm de XPS, 14 cm de betonilha e mosaico cerâmico (ou pavimento flutuante). A partir da substituição de algumas das soluções construtivas por outras de materiais mais leves, os edifícios passam a ter inércia térmica média: - Alteração das paredes interiores (em contacto com espaços não climatizados e de compartimentação) para painel sandwich de 8 cm; - Alteração da cobertura exterior para chapa metálica, painel sandwich de 6 cm, espaço-de-ar não ventilado com 10 cm e 2 cm de gesso cartonado; - Alteração das lajes para lajes constituídas por 2 cm de reboco, 15 cm de betão cavernoso e mosaico cerâmico (ou pavimento flutuante). Para a obtenção de inércia térmica fraca: - Alteração das paredes exteriores para painel sandwich de 8 cm, caixa-de-ar de 2 cm e 2 cm de gesso cartonado; - Alteração do pavimento térreo para 10 cm de betão, sistema de impermeabilização, 4 cm de XPS, 3 cm de betonilha e mosaico cerâmico (ou pavimento flutuante). / 37

3 Figura 1. Lar de idosos considerado neste estudo. Figura 2. Supermercado considerado neste estudo EDIFÍCIO COM OCUPAÇÃO PERMANENTE - LAR DE IDOSOS O edifício de ocupação permanente em apreço (lar de idosos) desenvolve-se em três pisos, cave, rés-do-chão e primeiro andar e encontra- -se representado na Figura 1. A cave é composta pelas salas de máquinas, espaços para arrecadações e depósitos de roupa. Nos pisos superiores existem zonas de quartos e salas de estar, sendo que no rés-do-chão existe ainda uma cozinha, uma sala de refeições, balneários, instalações sanitárias de uso geral e arrumos. No primeiro piso existem gabinetes, salas de estar, zonas de quartos, sala de reuniões, instalações sanitárias e espaços para arrumos. O edifício foi projectado para albergar 36 pessoas, das quais 28 podem estar acamadas. Para o efeito estão previstos 8 quartos simples (4 no rés-do-chão e 4 no primeiro piso) e 10 quartos duplos (5 no rés-do-chão e 5 no primeiro piso). A área bruta de pavimento é de 1427 m 2 e tem um pé-direito de 3 m. A cave do edifício encontra-se enterrada excepto do lado das fachadas voltadas a sudeste e sudoeste. Nas fachadas a nordeste e noroeste existe algum sombreamento devido à inclinação do terreno. No espaço a sul do edifício existem árvores de folha caduca com uma altura média de 3 m (não representadas na Figura 1), as quais provocam sombreamentos nas fachadas do rés-do-chão voltadas a sudoeste e numa das fachadas a sudeste, não tendo qualquer impacto ao nível de sombreamentos do primeiro piso. Para efeitos de simulação a cave (de 183 m 2 ) foi considerada como pertencendo toda a uma única zona não climatizada, o rés-do-chão (de 628 m 2 ) foi repartido por 10 zonas climatizadas e o primeiro piso (de 616 m 2 ) por outras 10 também climatizadas. Este edifício é caracterizado por ter ocupação permanente, cargas térmicas internas reduzidas e baixa densidade de iluminação artificial EDIFÍCIO COM OCUPAÇÃO INTERMITENTE CÍCLICA - SUPERMERCADO O edifício com ocupação intermitente (supermercado) foi projectado para uma ocupação máxima de 215 pessoas, tem a forma paralelepipédica, desenvolve- -se por um único piso e encontra-se representado em perspectiva na Figura 2. O edifício apresenta quatro orientações distintas, com a fachada principal orientada a sul e é composto pela zona de exposição de produtos do supermercado, por quatro lojas, instalações sanitárias gerais, uma cafetaria, um escritório, uma zona de apoio ao supermercado (onde existem vestiários e espaços de apoio ao talho), uma zona de armazém e uma zona técnica (casa das máquinas). Este edifício não beneficia de obstruções solares dignas de relevo. Apresenta uma área bruta de pavimento de 1445 m 2 (1277 m 2 climatizados e 168 m 2 não climatizados) e tem um pé-direito médio de 3,6 m. Para efeitos de simulação foi compartimentado em 7 zonas, das quais apenas a zona do armazém e a zona técnica não são climatizadas. Este edifício é caracterizado por ter ocupação intermitente cíclica, cargas térmicas internas elevadas e alta densidade de iluminação artificial. 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO Nos gráficos que se apresentam utiliza-se o seguinte código de cores: Figura 3. Lar de idosos - consumo anual de energia para aquecimento. 38 /

4 Figura 4. Lar de idosos - consumo anual de energia para arrefecimento. Figura 5. Lar de idosos - consumo anual de energia para climatização. Figura 6. Supermercado - consumo anual de energia para aquecimento. Figura 7. Supermercado - consumo anual de energia para arrefecimento EDIFÍCIO COM OCUPAÇÃO PERMANENTE - LAR DE IDOSOS Para edifício de ocupação permanente em apreço (lar de idosos), representa-se na Figura 3 o consumo anual de energia pelos sistemas de aquecimento, na Figura 4 o consumo para arrefecimento e na Figura 5 o consumo global para climatização, correspondendo à adição dos dois anteriores. Da análise das Figuras 3, 4 e 5 constata-se que: - Independentemente da situação considerada em termos de freecooling e de recuperação de calor do ar de rejeição, os consumos anuais de energia para climatização diminuem sempre com o aumento da inércia térmica do edifício; - Dependendo do caso em apreço, os consumos anuais de energia para arrefecimento representam entre 67% e 86% dos consumos de energia para climatização; - A poupança de energia com recurso ao freecooling aumenta com o aumento da inércia do edifício, passando de 10% se a inércia for fraca para 13% no caso de ser forte; - O recurso a sistemas de recuperação de calor do ar de rejeição reduz os consumos para climatização em 16% para inércia fraca, em 17% para média e em 19% para forte; - Em termos de redução do consumo de energia para climatização, a recuperação de calor do ar de rejeição tem mais influência do que o freecooling; - No caso de existir em simultâneo recuperação de calor e freecooling a poupança de energia é a que resulta da soma das poupanças individuais em virtude de praticamente não existir interdependência entre os benefícios promovidos por estes sistemas. / 39

5 Figura 8. Supermercado - consumo anual de energia para climatização EDIFÍCIO COM OCUPAÇÃO INTERMITENTE CÍCLICA - SUPERMERCADO Para edifício de ocupação intermitente em apreço (supermercado), apresenta-se na Figura 6 o consumo anual de energia pelos sistemas de aquecimento, na Figura 7 o consumo para arrefecimento e na Figura 8 o consumo global para climatização. Analisando as Figuras 6, 7 e 8 observa-se que: - Independentemente da situação considerada em termos de freecooling e de recuperação de calor do ar de rejeição, a inércia térmica forte apresenta os menores consumos anuais de energia para climatização (no entanto, a diferença entre estes consumos para inércia térmica forte e média é muitíssimo pequena); - Dependendo da situação, os consumos anuais de energia para arrefecimento representam entre 95% e 99% dos consumos de energia para climatização; - No que toca à redução dos consumos globais de energia para climatização, a influência de freecooling é significativa (24% para inércia fraca, 25% para média e 26% para forte) e a da recuperação de calor do ar de rejeição é desprezável (cerca de 2%) o que torna este tipo de sistema de poupança de energia pouco interessante para esta tipologia de edifício; 5 - CONCLUSÕES - A inércia térmica forte dá sempre origem a menores consumos anuais de energia para climatização e a inércia fraca aos maiores (no entanto, no caso do supermercado praticamente não existe diferença de comportamento entre inércia térmica forte e média). - No lar de idosos os consumos anuais de energia para arrefecimento representam pelo menos 67% dos consumos para climatização, passando para pelo menos 95% no caso do supermercado. - No que toca à redução dos consumos globais de energia para climatização, a influência dos sistemas de poupança de energia analisados é muito dependente da tipologia do edifício. Para o lar de idosos ambos os sistemas são eficazes, mas a recuperação de calor do ar de rejeição tem mais influência do que o freecooling. No caso do supermercado a influência do freecooling é significativa e a da recuperação de calor do ar de rejeição afigura-se desprezável. - Para ambos os edifícios analisados a influência dos sistemas de poupança de energia analisados cresce com o com o aumento da inércia térmica do edifício. - De notar que devido ao facto de se considerarem soluções construtivas diferentes para conseguir inércias térmicas dos edifícios diferentes resultaram coeficientes de transmissão térmica superficial diferentes, com valores tendencialmente menores quanto menor era a inércia térmica. Este facto leva a que os edifícios com inércia mais fraca apresentem menores perdas e ganhos de calor pela envolvente. Conforme foi possível constatar este efeito não foi suficiente para anular os benefícios conseguidos com o aumento da inércia térmica. Ou seja, se fossem mantidos iguais os valores dos coeficientes de transmissão térmica superficial, os benefícios de ter uma inércia térmica forte ainda seriam muito mais acentuados. - Neste estudo constatou-se que a influência da inércia térmica e da existência ou não de sistemas de recuperação de calor do ar de rejeição e de arrefecimento gratuito (freecooling) depende essencialmente da tipologia do edifício em apreço. Pensa-se que este comportamento tem pouco a ver com a circunstância de a ocupação ser permanente ou intermitente e está mais relacionado com o facto de o edifício ser termicamente dependente das trocas de calor através da sua envolvente (como é o caso do lar de idosos) ou das cargas térmicas internas (como é o caso do supermercado). 6 - REFERÊNCIAS - ASHRAE (2004), Standard method of test for the evaluation of building energy analysis computer programs, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. - DesignBuilder (2010). DesignBuilder EnergyPlus interface, Tutorials and training, - EnergyPlus (2010). EnergyPlus building energy simulation program, Tutorials and training, - EN ISO (2006). Energy performance of buildings - calculation of energy use for space heating and cooling, Centre European for Normalization & ISO, Genève, Switzerland. - Raimundo, António M.; Gaspar, Adélio M. (2010). Módulos técnicos de RCCTE e RSECE dos cursos de formação do SCE, Departamento de Engenharia Mecânica, FCTUC, Universidade de Coimbra, - RCCTE - Regulamento das características de comportamento térmico dos edifícios (2006). Decreto-Lei nº 80/2006 de 4 de Abril, Diário da República nº 67 - I Série - A. - RSECE - Regulamento dos sistemas energéticos de climatização dos edifícios (2006). Decreto-Lei nº 79/2006 de 4 de Abril, Diário da República nº 67 - I Série - A. - Xu, P. (2006). Evaluation of demand shifting strategies with thermal mass in large commercial buildings, SimBuild 2006 Conference, MIT, IBPSA-USA. 40 /