MESTRADO EM ARQUITECTURA

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1 MESTRADO EM ARQUITECTURA DISCIPLINA DE FÍSICA DAS CONSTRUÇÕES PARA ARQUITECTURA TÉRMICA DE EDIFÍCIOS Cristina Matos Silva Maria da Glória Gomes Pág.1 Processos térmicos Parâmetros Climáticos Exteriores Temperatura do ar Radiação Solar Velocidade do vento Ventilação Ganhos solares θi = 25ºC Verão θi = 18ºC Inverno Fluxo de Calor devido a T O conhecimento do comportamento térmico dos edifícios implica o estudo da Transmissão de calor através da envolvente (considerada como fronteira) Pág.2

2 Processos térmicos Transmissão de Calor (Lei zero): ocorre transferência de calor entre 2 sistemas em contacto térmico se as suas temperaturas (θ) tiverem valores diferentes. De contrário, diz-se que os sistemas estão em equilíbrio térmico. Calor transmitido (2ª Lei): O calor fluirá do sistema mais quente para o sistema mais frio, até ser restabelecido o equilíbrio térmico. θ 1,,, θ 2 θ 3 θ 1 θ 2 θ 3 θ 1 > θ 2 > θ 3 Fluxo de calor no sentido,,, θ 1 = θ 2 = θ 3 Equilíbrio térmico Pág.3 Processos térmicos Os fenómenos de transmissão de calor importantes para o estudo do comportamento térmico de edifícios resultam de três processos distintos: Fenómenos de transmissão de calor Condução Convecção Radiação Na maior parte dos casos os três processos coexistem. Pág.4

3 Processos térmicos Os fenómenos de transmissão de calor importantes para o estudo do comportamento térmico de edifícios resultam de três processos distintos: Fenómenos de transmissão de calor Condução Convecção Radiação Na maior parte dos casos os três processos coexistem Pág.5 Processos térmicos CONDUÇÃO Pode ocorrer em corpos sólidos ou fluidos. Ocorre por via de vibrações ou colisões entre partículas, que transferem energia das zonas mais quentes (maior energia) para as zonas mais frias (menor energia). Exige contacto físico f entre elas. Colisões Vibrações Colisões Fluidos (líquidos e gases) Ex: cerâmica Ex: metal Pág.6

4 Processos térmicos CONDUÇÃO A transmissão de calor é regida pela Lei de Fourier : λ [W/mºC] - parâmetro de proporcionalidade designado como condutibilidade térmica que varia consoante o tipo de material, porosidade, temperatura, humidade, etc. Pág.7 Processos térmicos Os fenómenos de transmissão de calor importantes para o estudo do comportamento térmico de edifícios resultam de três processos distintos: Fenómenos de transmissão de calor Condução Convecção Radiação Na maior parte dos casos os três processos coexistem Pág.8

5 Processos térmicos CONVECÇÃO A Lei de Newton determina que a taxa de transferência de calor é proporcional à área e à diferença de temperatura: Q = h c A ( T T ) (W) s f hc Condutância térmica superficial por convecção (W/m 2 ºC). Convecção ar-sólido Convecção ar-ar Ts>Tf fluído θ e Q Ts sólido Q in Q out Pág.9 Processos térmicos Os fenómenos de transmissão de calor importantes para o estudo do comportamento térmico de edifícios resultam de três processos distintos: Fenómenos de transmissão de calor Condução Convecção Radiação Na maior parte dos casos os três processos coexistem Pág.10

6 Processos térmicos RADIAÇÃO T Q Não necessita de meio de transporte, dado que todos os corpos emitem e recebem radiação em função da sua temperatura absoluta. A radiação térmica é a radiação electromagnética emitida por um corpo causada pela temperatura a que se encontra: Q = ε σ A T A área da superfície do corpo (m 2 ); T - Temperatura absoluta (K); σ- Constante de Stefan-Boltzmann (W/m 2.K 4 ); ε- Emissividade da superfície (0 ε 1). hr- Condutância térmica superficial por radiação (W/m 2 ºC). 4 ( T T ) (W) Q = hr A 1 2 Q 1 Radiação Incidente Q 1 2 Radiação reflectida Radiação absorvida Radiação transmitida = F1 2ε1 σ A1 T Pág.11 2 Processos térmicos Resumindo Realidade: Grande variabilidade dos parâmetros que influenciam o comportamento térmico dos edifícios (T ext, v w, I r ) Comportamento dinâmico Pág.12

7 Processos térmicos Quais os métodos de cálculo apropriados? Por simplicidade é usual considerar que: a transmissão de calor se efectua em regime permanente; a condução térmica é unidimensional Pág.13 Processos térmicos Para: regime permanente; condução térmica unidimensional A equação geral da condução conduz a: 2 2 θ θ θ = α + t 2 2 x y θ θ θ 0 e ( x) = θ + e 0 x 3D θ 0 y θ e θ 1D A distribuição de temperaturas à face do elemento homogéneo é linear! q x e A q x z θ e <θ 0x θ 0 e θ e x Pág.14

8 Processos térmicos Para a distribuição de temperatura obtidas e aplicando a Lei de Fourier, vem: θ/ x=dθ/dx=(θ e -θ 0 )/e q=q x =-λ( θ/ x), pois q y =q z =0 q x θ 0 y e θ q e θ = λ 0 e x z θ e θ 0 θ e θ e x O fluxo de calor que atravessa a totalidade do elemento é: Q = q.da = q. da = A( θ θ ) Q = Kp.A.( θ0 θe ) A A Condutância térmica: Resistência térmica: λ e R K p e λ = [W/m2ºC]. e e = 1 [m 2 ºC/W]. K λ p = p 0 Pág.15 Processos térmicos Como exemplo, podem comparar-se três materiais (uma placa de XPS, um tijolo furado, e betão armado), para uma resistência térmica de 0.6 m 2 ºC/W, vendo qual a espessura necessária para atingir essa resistência. XPS Alvenaria Betão e=0.022 m e=0.22 m e=1.20 m Pág.16

9 Processos térmicos - Elementos heterog Camadas perpendiculares ao sentido do fluxo (série) θ λ 1 λ 2 λ 3 Elementos heterogéneos Q = K p.a.(θ 0 -θ e ) Camadas paralelas ao sentido do fluxo (paralelo) K p =f (K p1, K p2, K p3 ) Q Q Problema: determinar θ 0 a função f θ θ 0 1 θ 1 θ 2 θ 2 A θ θ e θ 3 Q = K θe p 1.A. θ1 Q = Kp 2.A. θ2 e 1 e 2 e x Q = Kp 3.A. θ3 3 e x λ θ0 θ1 = Q /(K p1a) K k pk = e Q1 = Kp1.A1.( θ0 θe ) k θ1 θ2 = Q /(Kp2A) Q2 = Kp2.A2.( θ0 θe ) + θ2 θe = Q /(Kp3A) 1 1 Q3 = Kp3.A3.( θ0 θe ) 3 = 3 3 Q 1 K θ0 θe = p K k pk Q k = K pk.ak.( θ0 θe ) A K k= 1 pk k= 1 k = 1 θ λ 1 λ 2 Q 3 λ 3 Q 2 Q 1 Q1 = Kp1.A1. θ Q2 = Kp2.A2. θ Q3 = Kp3.A3. θ λ K k pk = e K pk.ak K = k p Ak k Pág.17 Processos térmicos Na maioria dos casos, a hipótese de fluxo unidireccional não se verifica, como no caso da existência de heterogeneidades, ou de determinados tipos de geometria, que levam à alteração das linhas de fluxo. Exemplo: pilar de canto Pág.18

10 Processos térmicos Na maioria dos casos, a hipótese de fluxo unidireccional não se verifica, como no caso da existência de heterogeneidades, ou de determinados tipos de geometria, que levam à alteração das linhas de fluxo. Exemplo: cobertura em terraço Pág.19 Processos térmicos As zonas com maior densidade de linhas de fluxo de calor, associadas a maiores perdas de calor, designam-se por pontes térmicas. Na vizinhança das pontes térmicas o campo de temperaturas é bidimensional: As pontes térmicas podem constituir um factor importante de redução da qualidade térmica duma construção, não só pelo Paramento interior acréscimo de perdas Ponte térmica (ganhos) de calor mas também porque cresce o risco de condensações. θ Temperaturas mais altas Temperaturas mais baixas Pág.20

11 Processos térmicos Fotografia Termografia Pág.21 COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA Visto que os elementos de um edifício não podem ser vistos de forma isolada (principalmente os da envolvente), dado existirem trocas de calor entre os elementos e os ambientes em que se integram, é necessário definir uma característica que tenha em conta o efeito conjugado de convecção, radiação e condução. Pág.22

12 COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA Hipóteses : - Regime permanente - Fluxo unidireccional Ext. θ si θ i Pela Conservação da energia: Q= h si A (θ i -θ si ) θ e θ se Q Int. Q= K p A (θ si -θ se ) Q= h se A (θ se -θ e ) h se K p h si 1 K p = e k λ k k - condutância térmica da parede h si - condutância térmica superficial int. (inclui efeitos convecção+radiação int.) h se - condutância térmica superficial ext. (inclui efeitos convecção+radiação ext.) Pág.23 COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA θ i Objectivo: Determinar o coeficiente U tal que Q possa ser escrito em função de θ i e θ e. Q= U A (θ i -θ e ) θ e Ext. θ se Q θ si Int. Manipulando as equações anteriores de fluxo, obtém-se: h se K p h si U - Coef. de transmissão térmica de um elemento construtivo [W/m 2 ºC] R j - resistência térmica da camada j [m 2 ºC/W] R si / R se - resistências térmicas superficiais interior e exterior, respectivamente [m 2 ºC/W] R si =1/h si R se =1/h se Pág.24

13 COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA Valores convencionais das resistências térmicas superficiais: Tabela 01 K - Valores das resistências térmicas superficiais, R se e R si (Despacho nº15793-k/2013) Resistência térmica superficial (m 2.ºC/W) Sentido do fluxo de calor Exterior R se Interior R si Horizontal 0,04 0,13 Vertical: Ascendente 0,04 0,10 Descendente 0,04 0,17 Nota: No cálculo do coeficiente de transmissão térmica de um elemento que separa um espaço interior de um espaço não útil ou de um edifício adjacente, devem ser consideradas duas resistências térmicas superficiais interiores, R si, uma correspondente ao interior da fracção e outra ao interior do espaço não útil. Pág.25 REH: Inverno θi =18 ºC O país encontra-se dividido em 3 zonas climáticas de Inverno I1, I2 e I3. Exemplo: I3 (Bragança) I2 (Guimarães) I1 (Albufeira) Zonas climáticas de Inverno no continente Os requisitos mínimos de Inverno (U máx ) dependem da zona climática Pág.26

14 REH: Inverno Tabela 02 F - Critérios para a determinação da zona climática de Inverno GD < GD 1800 GD > 1800 Critério Zona I1 I2 I3 GD Graus-dia aquecimento GD = Σ j (θ i θ ext médio diário ) 18ºC GD define-se como o somatório das diferenças positivas registadas entre a temperatura base (de 18ºC) e a temperatura do ar exterior ao longo da estação de aquecimento Pág.27 REH: Inverno F Altitude do local Pág.28

15 REH: Inverno F Pág.29 Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic : [kwh/m 2.ano] Q tr,i [kwh/ano] - Transferência de calor por transmissão através da envolvente Q ve,i [kwh/ano] - Transferência de calor por ventilação Q gu,i [kwh/ano] - Ganhos térmicos úteis (internos + solares) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.30

16 Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic : [kwh/m 2.ano] Q tr,i [kwh/ano] - Transferência de calor por transmissão através da envolvente Q ve,i [kwh/ano] - Transferência de calor por ventilação Q gu,i [kwh/ano] - Ganhos térmicos úteis (internos + solares) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.31 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Graus-dia de aquecimento Coeficiente global de transferência de calor por transmissão (W/ºC) Coeficiente de transferência de calor através de elementos em contacto com: exterior espaços não úteis edifícios adjacentes solo Pág.32

17 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Exterior H ext coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o exterior (W/ºC); zonas correntes e pontes térmicas planas de elementos opacos exteriores (paredes, coberturas e pavimentos) e envidraçados exteriores pontes térmicas lineares de elementos em contacto com exterior Interior Espaço não útil Pág.33 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE H ext coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o exterior (W/ºC); zonas correntes e pontes térmicas planas de elementos opacos exteriores (paredes, coberturas e pavimentos) e envidraçados exteriores pontes térmicas lineares de elementos em contacto com exterior Pág.34

18 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Exterior H ext coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o exterior (W/ºC); zonas correntes e pontes térmicas planas de elementos opacos exteriores (paredes, coberturas e pavimentos) e envidraçados exteriores pontes térmicas lineares de elementos em contacto com exterior Interior Espaço não útil Pág.35 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE H ext coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o exterior (W/ºC); zonas correntes e pontes térmicas planas de elementos opacos exteriores (paredes, coberturas e pavimentos) e envidraçados exteriores pontes térmicas lineares de elementos em contacto com exterior Exterior Interior Pág.36

19 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Exterior H enu coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com espaços não úteis (W/ºC); Exemplos: sótãos e caves não habitadas, circulações (interiores ou exteriores) comuns às fracções autónomas, varandas e marquises fechadas adjacentes aos espaços úteis, garagens, armazéns, entre outros. Interior Espaço não útil Pág.37 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE H enu coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o espaços não úteis (W/ºC); Exemplos: sótãos e caves não habitadas, circulações (interiores ou exteriores) comuns às fracções autónomas, varandas e marquises fechadas adjacentes aos espaços úteis, garagens, armazéns, entre outros. Exterior Espaço não útil Interior Pág.38

20 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Exterior H enu coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com espaços não úteis (ENU) (W/ºC); zonas correntes e pontes térmicas planas de elementos opacos (paredes e pavimentos) e envidraçados em contacto com ENU pontes térmicas lineares de elementos em contacto com ENU Podem entrar ou não conforme as características do ENU Interior Espaço não útil Pág.39 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE H adj coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com edifícios adjacentes (W/ºC); É calculado de forma semelhante a H enu Edifício adjacente I.S. a=2.70m2 QUARTO 1 a=13.30m2 Interior I.S. a=4.10m2 QUARTO 2 a=13.40m2 CIRCULAÇÃO a=5.60m2 T2 QUARTO a=11.90m T3 DESP. a=1.70m2 HALL a=6.30m2 Pág.40

21 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE H ecs coeficiente de transferência de calor através de elementos em contacto como solo (W/ºC); pavimentos em contacto com o solo paredes em contacto com o solo Pág.41 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE θ int - Envolvente em contacto com o ar exterior θ ext θ int θ a θ a = θ ext - Envolvente em contacto com o ar interior θ ext Q=U A (θ int - θ a ) (W) U Coeficiente de transmissão térmica do elemento [W/m 2 ºC] A Área do elemento [m 2 ] θ a = θ int - Envolvente em contacto com espaço não útil θ a = θ ext + (1-b tr )(θ int -θ ext ) 0 < b tr <1 (dependente do espaço não útil) Pág.42

22 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Em cada hora, as perdas através de um elemento genérico em contacto com o exterior são: Q= U A (θ int - θ ext ) [W] U coeficiente de transmissão térmica do elemento da envolvente [W/m 2.ºC]; A área do elemento da envolvente medida pelo interior [m 2 ]; θ int int temperatura do ar interior do edifício [ºC]; θ ext ext temperatura do ar exterior [ºC] Pág.43 PERDAS POR CONDUÇÃO PELA ENVOLVENTE No final da estação de aquecimento, as perdas por esse elemento são: H tr,i coeficiente global de transferência de calor por transmissão (W/ºC) Q = 0,024 U A GD [kwh] Áreas medidas pelo interior GD Graus-dia aquecimento 18ºC Pág.44

23 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE No final da estação de aquecimento, a transferência de calor por transmissão através de toda a envolvente do edifício: [kwh] Graus-dia de aquecimento Coeficiente global de transferência de calor por transmissão (W/ºC) Coeficiente de transferência de calor através de elementos em contacto com: exterior espaços não úteis edifícios adjacentes solo Pág.45 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (1) ELEMENTOS EM CONTACTO COM O EXTERIOR: H ext coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com o exterior (W/ºC); [W/ºC] zonas correntes e pontes térmicas planas de el. opacos e envidraçados pontes térmicas lineares em que: U coeficiente de transmissão térmica do elemento da envolvente [W/m 2.ºC]; A área do elemento da envolvente medida pelo interior [m 2 ]; ψ- coeficiente de transmissão térmica linear [W/m.ºC]; B - desenvolvimento linear da ponte térmica medido pelo interior [m]. Pág.46

24 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (1) ELEMENTOS EM CONTACTO COM O EXTERIOR: ψ- coeficiente de transmissão térmica linear [W/m.ºC]; Ex: ligação fachada com pavimento Pág.47 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (2) ELEMENTOS EM CONTACTO COM ENU: H enu coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com ENU (W/ºC); [W/ºC] Espaço não útil (ENU): não climatizado; sem ocupação regular; circulações comuns (garagens, escadas, elevadores); fracções não residenciais; espaços com porta ou janela para o exterior ou outro ENU ventilado naturalmente (sem ser ventilado pela fracção). zonas correntes e pontes térmicas planas de el. opacos e envidraçados pontes térmicas lineares (se b tr >0.7) Pág.48

25 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (2) ELEMENTOS EM CONTACTO COM ENU: H enu coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com ENU (W/ºC); [W/ºC] b tr coeficiente de redução de perdas de um espaço não útil ou edifício adjacente zonas correntes e pontes térmicas planas de el. opacos e envidraçados pontes térmicas lineares (se b tr >0.7) b tr é um parâmetro adimensional que toma valores de 0 a 1 Pág.49 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Dada a dificuldade em conhecer com precisão o valor de θ enu, admite-se que b tr pode tomar os valores convencionais indicados na Tabela 22 (Despacho nº15793-k/2013). b tr estimado em função do volume do ENU (V enu, de ter ou não aberturas de ventilação permanentemente abertas e do quociente: int enu enu ext Pág.50

26 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE Nota: (1) f - Espaço não útil que tem todas as ligações entre elementos bem vedadas, sem aberturas de ventilação permanentemente abertas; F - Espaço não útil permeável ao ar devido à presença de ligações e aberturas de ventilação permanentemente abertas. (2) A i somatório das áreas dos elementos que separam o espaço interior útil do espaço não útil ; A u somatório das áreas dos elementos que separam o espaço não útil do ambiente exterior; V enu volume do espaço não útil. (3) Para espaços fortemente ventilados b tr deverá tomar o valor de 1,0. (4) Para elementos em contacto com edifícios adjacentes deve ser utilizado um valor de b tr de 0,6. Pág.51 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (3) ELEMENTOS EM CONTACTO COM EDIFÍCIOS ADJACENTES : H adj coeficiente de transferência de calor através de elementos da envolvente em contacto com edifícios adjacentes (W/ºC); Edifícios adjacentes (adj): edifícios independentes (em lotes de terreno distintos); edifícios que apesar de se localizarem no mesmo lote não partilham qualquer espaço comum (circulação, garagem ou cobertura). É calculado de forma semelhante a H enu : b tr coeficiente de redução de perdas de edifício adjacente = 0,6 [W/ºC] Pág.52

27 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (4) ELEMENTOS EM CONTACTO COM O SOLO : H ecs coeficiente de transferência de calor através de elementos em contacto com o solo (W/ºC); pavimento em contacto com o solo parede em contacto com o solo em que: U bfi coeficiente de transmissão térmica do pavimento enterrado i [W/m 2.ºC]; A i área do pavimento em contacto com o solo i medida pelo interior [m 2 ]; z j profundidade média enterrada da parede j [m]; P j desenvolvimento total da parede enterrada j medido pelo interior [m]; U bwj coeficiente de transmissão térmica da parede em contacto com o solo j [W/m 2 ºC]. Pág.53 TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (4) ELEMENTOS EM CONTACTO COM O SOLO : H ecs coeficiente de transferência de calor através de elementos em contacto com o solo (W/ºC); pavimento em contacto com o solo parede em contacto com o solo z j P j A i Pág.54

28 Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic : [kwh/m 2.ano] Q tr,i [kwh/ano] - Transferência de calor por transmissão através da envolvente Q ve,i [kwh/ano] - Transferência de calor por ventilação Q gu,i [kwh/ano] - Ganhos térmicos úteis (internos + solares) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.55 PERDAS POR VENTILAÇÃO A ventilação é o processo através do qual o ar puro é introduzido no interior do edifício e o ar viciado é removido. É uma necessidade, mas a diluição dos poluentes não pode ser feita à custa de consumos energéticos excessivos Pág.56

29 PERDAS POR VENTILAÇÃO Exigências de Qualidade do Ar Interior (QAI) Ventilação Natural Ventilação Mecânica Dá-se: por processos naturais ou passivos; através de aberturas intencionais. Dá-se: por processos mecânicos ou activos. Pág.57 Em cada hora, as perdas são: Q ra = 0,34 R ph A p P d (θi - θ ext ) [W/ºC] em que: A p área útil de pavimento [m 2 ]; P d pé-direito [m]; θ i temperatura do ar interior do edifício [ºC]; θ ext temperatura do ar exterior [ºC]. ext PERDAS POR VENTILAÇÃO No final da estação de aquecimento, as perdas são: Q ve,i = 0,024 GD H ve,i [kwh] H ve,i coeficiente de transferência de calor por ventilação na estação de aquecimento (W/ºC); H ve,i = 0,34 R ph,i A p P d com: GD Graus-dia aquecimento; R ph Nº de renovações horárias. [W/ºC] R ph,i 0.4 h -1? Pág.58

30 PERDAS POR VENTILAÇÃO P: Como calcular R ph? R: Depende se é ventilação natural ou mecânica. No caso da ventilação natural, é necessário ter em conta : o enquadramento da fracção autónoma: região (A ou B); rugosidade (I,II,III); nº de fachadas expostas; classe de protecção da fracção (protegido, normal ou desprotegido do vento); a permeabilidade ao ar da envolvente (caixilharias e caixa de estore); as aberturas de admissão de ar na fachada (fixas ou autoreguláveis); as condutas de ventilação natural (exaustão e insuflação) Pág.59 Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic : [kwh/m 2.ano] Q tr,i [kwh/ano] - Transferência de calor por transmissão através da envolvente Q ve,i [kwh/ano] - Transferência de calor por ventilação Q gu,i [kwh/ano] - Ganhos térmicos úteis (internos + solares) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.60

31 GANHOS TÉRMICOS T ÚTEIS (INTERNOS + SOLARES) Os ganhos térmicos t úteis a considerar no cálculo das necessidades nominais de aquecimento do edifício são : [kwh] Factor de utilização dos ganhos térmicos. Ganhos térmicos brutos. [kwh] Os ganhos térmicos internos: (metabolismo ocupantes, equipamentos, ) Os ganhos solares térmicos pelos vãos envidraçados Pág.61 GANHOS DE CALOR (INTERNOS) Os ganhos de calor de fontes internas durante toda a estação de aquecimento: [kwh] (24 horas 30 dias)/1000 M - duração da estação de aquecimento q int = 4 W/m 2 (edif. habitação) Pág.62

32 GANHOS DE CALOR (INTERNOS) Os ganhos de calor de fontes internas durante toda a estação de aquecimento: [kwh] F q int = 4 W/m 2 (edif. habitação) Pág.63 GANHOS DE CALOR (SOLARES) Os ganhos solares (brutos) através dos vãos envidraçados durante toda a estação de aquecimento: [kwh] orientação G Sul : valor médio mensal da energia solar média incidente numa superfície orientada a Sul [kwh/m 2.mês] X j : Factor de orientação para as diferentes exposições envidraçado G=G sul.x A somb A util =F s.f g.a w F s,i : Factor de obstrução (sombreamentos) g.f w.a util.g A s nj : área efectiva colectora da radiação solar da superfície n com orientação j [m 2 ] Factor Solar Corrigido Pág.64

33 F GANHOS DE CALOR (SOLARES) I Pág.65 GANHOS DE CALOR (SOLARES) para vãos envidraçados exteriores A w : área total do vão envidraçado (com aro e caixilho) [m 2 ] F g : fracção envidraçada g i : factor solar de Inverno g i = vidro F w,i g,vi (se não tiver disp. permanentes) g Tp (se tiver disp. permanentes) vidro+disp.permanente F w,i : factor de correcção devido à variação das propriedades do vidro com o ângulo de incidência da radiação solar g.f w.a util.g Factor Solar Corrigido G=G sul.x A somb A util =F s.f g.a w Pág.66

34 GANHOS DE CALOR (SOLARES) para vãos envidraçados exteriores: para vãos envidraçados interiores (adjacente a ENU com envidraçados): K Pág.67 GANHOS DE CALOR (SOLARES) Factor solar do vidro g,vi representa a relação entre a energia solar transmitida para o interior através do vão envidraçado em relação à radiação solar incidente na direcção normal ao envidraçado. Na estação de aquecimento: -dispositivos de protecção solar móveis (estores, portadas, cortinas, etc.) admitem-se estar totalmente abertos g i = F w,i g,vi (se não tiver disp. permanentes) (se tiver disp. permanentes) g Tp vidro vidro+disp.permanente F w,i = 0.90 no Inverno para vidros correntes simples e duplos Pág.68

35 K GANHOS DE CALOR (SOLARES) g F w,i g,vi (se não tiver disp. perm.) i = g Tp vidro (se tiver disp. perm.) Pág.69 GANHOS DE CALOR (SOLARES) K g F w,i g,vi (se não tiver disp. perm.) i = g Tp (se tiver disp. perm.) vidro+disp. permanente Vidros de referência: Vidro simples incolor: g,vi = 0.85 Vidro duplo incolor: g,vi = 0.75 Para vidros de ref.+disp.: Valores da Tabela 13K Pág.70

36 GANHOS DE CALOR (SOLARES) K g F w,i g,vi (se não tiver disp. perm.) i = g Tp (se tiver disp. perm.) vidro+disp. permanente Para vidros não de ref.+disp.: Vidro simples: Vidro duplo: Pág.71 GANHOS DE CALOR (SOLARES) O factor de obstrução F s varia entre 0 e 1 e representa a redução na radiação solar incidente devida ao sombreamento permanente causado por: Obstruções exteriores ao edifício: outros edifícios, orografia, vegetação,... Obstruções devidas ao próprio edifício: outros corpos, palas, varandas,... Obstruções longíquas: existentes no momento do licenciamento previstas nos planos de pormenor Cuidado: Pág.72

37 GANHOS DE CALOR (SOLARES) Factor de sombreamento do horizonte Elementos horizontais sobrepostos Elementos verticais adjacentes Pág.73 GANHOS DE CALOR (SOLARES) K α medido até ao centro do envidraçado e calculado individualmente para cada vão Pág.74

38 GANHOS DE CALOR (SOLARES) K Sem informação: α=45º em ambiente urbano; α=20º para edifícios isolados ou localizados fora de zonas urbanas. Pág.75 GANHOS DE CALOR (SOLARES) K Pág.76

39 GANHOS DE CALOR (SOLARES) Se palas verticais à direita e à esquerda: F f = F f,esq F f,dir Efeito do contorno: F 0 F f 0.9 Pág.77 FACTOR DE UTILIZAÇÃO DOS GANHOS TÉRMICOS T [kwh] Ganhos térmicos brutos. Factor de utilização dos ganhos térmicos. 18 Pág.78

40 FACTOR DE UTILIZAÇÃO DOS GANHOS TÉRMICOS T Com: Pág.79 INÉRCIA TÉRMICAT O termo Inércia térmica refere-se à capacidade de um elemento armazenar calor e só libertá-lo ao fim certo tempo. θ θ média A Inércia térmica pode ser usada para absorver os ganhos de calor durante o dia (reduzindo a carga de arrefecimento) e libertá-los à noite (reduzindo a carga de aquecimento). Parede pesada Desfasamento temporal Amortecimento térmico Tempo Superfície interior Superfície exterior Pág.80

41 INÉRCIA TÉRMICAT Se as amplitudes térmicas diárias forem grandes, o dimensionamento correcto da inércia térmica (amortecimento e desfasamento) permite um melhor desempenho térmico das construções. q t k ρ c p q t+ϕ = µ. q t ϕ- tempo de atraso µ - factor de amortecimento Pág.81 INÉRCIA TÉRMICAT Umas horas depois... O isolamento térmico pelo interior funciona como tampa do reservatório de armazenamento de calor que constitui a massa da construção. Pág.82

42 Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic : [kwh/m 2.ano] Q tr,i [kwh/ano] - Transferência de calor por transmissão através da envolvente Q ve,i [kwh/ano] - Transferência de calor por ventilação Q gu,i [kwh/ano] - Ganhos térmicos úteis (internos + solares) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.83 REH: VERÃO θi =25 ºC e ϕi=50% O país encontra-se dividido em 3 zonas climáticas de Verão: V1; V2; V3. Os requisitos mínimos de Verão (g Tmáx ) dependem da zona climática de Verão e da inércia térmica Pág.84

43 REH: VERÃO F F Pág.85 REH: VERÃO Necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento N vc : [kwh/m 2.ano] Ganhos não úteis (que vão provocar sobreaquecimento) Ganhos Brutos [kwh/ano] η - factor de utilização (representa a fracção dos ganhos utilizáveis para o conforto) A p [m 2 ] Área útil de pavimento Pág.86

44 REH: VERÃO Factor de utilização dos ganhos térmicos na estação de arrefecimento η v : FACTOR DE UTILIZAÇÃO DOS GANHOS TÉRMICOS T [kwh/m 2.ano] Com: Ganhos Perdas Pág.87 REH: VERÃO TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE [kwh] 25ºC F =24h/dia ( ) 2) Pág.88

45 REH: VERÃO TRANFERÊNCIA DE CALOR POR TRANSMISSÃO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE [kwh] [W/ºC] exterior espaços não úteis solo Pág.89 REH: VERÃO TRANFERÊNCIA DE CALOR POR VENTILAÇÃO [kwh] Volume [m 3 ] Pé-direito [m] Área útil de pavimento [m 2 ] Taxa nominal de renovação do ar na estação de arrefecimento R ph,v 0.6 h -1 Pág.90

46 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T [kwh] Os ganhos térmicos internos: (metabolismo ocupantes, equipamentos, ) Os ganhos solares térmicos pelos vãos envidraçados ados + opaca Pág.91 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (INTERNOS) Os ganhos de calor de fontes internas durante toda a estação de arrefecimento: [kwh] q int = 4 W/m 2 (edif. habitação) Área útil de pavimento (m 2 ) L v - duração da estação de arrefecimento (2928 h) Pág.92

47 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS+OPACA ADOS+OPACA [kwh] G sol Energia solar média incidente numa superfície durante toda a estação de arrefecimento [kwh/m 2 ] F Área efectiva colectora Factor de obstrução (sombreamentos) orientação envidraçados (exteriores e interiores) opaca Pág.93 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS+OPACA ADOS+OPACA [kwh] Factor de obstrução (sombreamentos) Na OPACA é opcional Factor de sombreamento do horizonte No Verão: F h,v =1.0 Elementos horizontais sobrepostos Elementos verticais adjacentes Pág.94

48 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS ADOS para vãos envidraçados exteriores: [kwh] Área efectiva colectora para vãos envidraçados interiores (adjacente a ENU com envidraçados): K Fracção envidraçada Pág.95 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS ADOS Fator solar do vão envidraçado com todos os sist. de sombreamento permanentes existentes Fator solar do vão envidraçado com TODOS os sist. de sombreamento activados a 100% K Pág.96

49 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS ADOS Fator solar do vão envidraçado com todos os sist. de sombreamento permanentes existentes K F w,v g,vi (se não tiver disp. perm.) g Tp (se tiver disp. perm.) vidro+disp. permanente Pág.97 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) ENVIDRAÇADOS ADOS K Fator solar do vão envidraçado com TODOS as protecções solares ativadas a 100% Para vidros não de ref.+disp.: Vidro simples: Vidro duplo: Pág.98

50 GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) OPACA Recorre-se ao conceito de temperatura ar-sol sol, que é a temperatura equivalente que traduz o efeito combinado da temperatura exterior e da radiação solar: G REH: VERÃO Temperatura ar-sol: ( θ θ ) ( θ θ ) ar sol R θ = θ + R se. α.g ar sol se s ar = ar R se s + α G α coeficiente de absorção da superfície; G radiação solar instantânea. θ ar R se θ s Pág.99 REH: VERÃO Para vem, θ = θ + R se. α.g ar sol ar GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) OPACA Q elemento ( θ θ ) = U A( θ θ ) + U A( R G) = U A α ar sol i ar i se [W] contabilizado em Q tr,v (porque θ ar < θ i ) Ao fim da estação de arrefecimento tem-se: Ganhos solares pela envolvente opaca Área efectiva colectora opaca Pág.100

51 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) OPACA Área efectiva colectora opaca K α α Coeficiente de transmissão térmica [W/m 2 ºC] Área do elemento opaco [m 2 ] R se =0.04 [m 2 ºC/W] Pág.101 REH: VERÃO GANHOS TÉRMICOS T (SOLARES) OPACA Área efectiva colectora opaca Também m se contabilizam os ganhos solares em: Fachadas ventiladas; Coberturas ventiladas; É função da emissividade das faces interiores do revestimento e do grau de ventilação do espaço de ar Desvãos de coberturas. α fator K K Baixa emissividade ε 0.20 Pág.102

52 REH: VERÃO Necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento N vc : [kwh/m 2.ano] Factor de utilização dos ganhos térmicos na estação de arrefecimento η v : Com: Ganhos Perdas Pág.103 REH: Metodologia Pág.104

53 Requisitos Mínimos: Portaria 349-B/2013 Elementos exteriores e elementos interiores com b tr > 0.70 A delimitação da envolvente térmica dos edifícios obriga à definição de b tr dos espaços não-úteis (ENU). Pág.105 Requisitos Mínimos: Portaria 349-B/2013 Definição: Heterogeneidade inserida em zona corrente da envolvente, como por exemplo pilares, talões de viga, caixa de estore,caleiras, etc (ptp) Pág.106

54 Requisitos Mínimos: Portaria 349-B/2013 Definição gt: Factor solar do vão envidraçado com todos os sistemas de sombreamento activados Pág.107 Requisitos Mínimos: Portaria 349-B/2013 Factor solar do vão envidraçado ado g vidro g 100% g inverno g vidro+disp disp.. permanentes g verão g máx Tabela 12K Tabela 13K Para vidros não de ref.+disp.: Vidro simples: g F w,i g,vi (se não tiver disp. perm.) i = g Tp (se tiver disp. perm.) Vidro duplo: Pág.108

55 Requisitos Mínimos: Portaria 349-B/2013 R ph Requisito mínimo: R ph 0,40 h -1 Cálculo de N ic : R ph,i 0,40 h -1 Cálculo de N vc : R ph,v 0,60 h -1 Referência: 0,40 h -1 R ph 0,60 h -1 Pág.109 REH: Metodologia Calculados com valores de referência Pág.110

56 EQUIPAMENTOS Termopares: mede a temperatura; Termohigrómetros: metros: mede a temperatura e a humidade relativa; Fluxímetros: mede o fluxo de calor; Piranómetros: mede a radiação solar; Sistemas de aquisição de dados. Pág.111 EQUIPAMENTOS Câmara de Termografia: mede a radiação infravermelha (IR) emitida por um objecto. radiação IR é função da temperatura superficial do objecto termograma com a distribuição das temperaturas superficiais permite localizar pontes térmicas, infiltrações de ar e anomalias construtivas. Pág.112