Desempenho Térmico de edificações

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1 Desempenho Térmico de edificações PROFESSORES Roberto Lamberts Deivis Luis Marinoski Unidade deportiva Atanasio Girardot - Medellín ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS

2 + Importância + Histórico + Características + Fechamento + Fluxo de calor + Propriedades + Radiação solar + Exemplo + Vidros duplos; + Vidros e filmes múltiplos + Vidros tingidos + Vidros e filmes reflexivos + Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas + Gás de baixa condutividade + Espaçadores termicamente melhorados + Materiais para esquadrias e para vedação + Impacto no consumo de energia + Novas tecnologias + NFRC + Considerações principais + Normas + Mercado + Brasil x Exterior estrutura introdução Desempenho térmico Tecnologias disponíveis Eficiência energética P & D novos produtos Certificação e Selagem Seleção de janelas Janelas no Brasil 2

3 INTRODUÇÃO + Importância + Histórico + Características Importância das janelas para a edificação Janelas são os olhos da casa + Controle da entrada de luz e do fluxo de ar; Contato visual; Proporcionam isolamento, segurança e privacidade; Atribuem estética e beleza ao projeto; Influenciam no consumo de energia da edificação; 3

4 Um breve histórico As casas primitivas não tinham janelas; Um buraco para saída de fumaça pode ser considerado como sendo a primeira forma de janela; A saída de fumaça melhorava a qualidade do ar interno; Este buraco proporciona entrada de luz, mas também a perda de calor; Uma folha de fechamento - transformando a janela em uma espécie de segunda porta; Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 4

5 Um breve histórico Uma abertura na parede - poderia tanto ser aberta para entrada de ar e luz, ou fechada para segurança e proteção; A primeira janela de vidro transparente foi usada nos tempos romanos; No século XVII a produção de chapas de vidro é tem um grande desenvolvimento na França; A partir do século XIX muitas inovações foram vistas e disponibilizadas para o público em geral (vidros maiores, mais resistentes, de maior qualidade); Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 5

6 Um breve histórico Edificações usavam essencialmente um tipo de vidro: o vidro claro de pano único; Anos 50 Inglaterra: técnica de produção de vidro float ; Nos anos de 1965 à 1990: um grande avanço tecnológico com o aumento da qualidade das superfícies e melhora da isolação. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 6

7 Características energéticas das janelas Pode-se considerar três tipos de fluxo de energia através das janelas como sendo principais: Perdas e ganhos de calor (não solar) na forma de condução, convecção e radiação; Ganho de calor solar na forma de radiação; Trocas de ar (ventilação e infiltração). Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 7

8 DESEMPENHO TÉRMICO DE JANELAS + Fechamento transparentes + Fluxo de calor em janelas + Propriedades térmicas + Radiação solar + Exemplo Fechamentos transparentes As principais trocas térmicas em uma edificação acontecem geralmente nas janelas, claraboias, ou outro elemento transparente da arquitetura; + Entre as formas trocas térmicas da edificação com o meio externo por condução, por convecção e por radiação, está última se diferencia dos processos observados em superfícies opacas devido à parcela de radiação que é transmitida para o ambiente, descrita pela propriedade transmissividade do vidro. Radiação transmitida, refletida e absorvida pelo vidro. Fonte Lamberts et al,

9 Fluxo de calor através da janela Do balanço térmico, temos: α RS + ρ RS + σ RS = RS α + ρ + σ = 1 Onde: é a absortividade do vidro; é a refletividade do vidro; é a transmissividade do vidro. Radiação Solar incidente (RS) Condução e irradiação após a absorção a.rs/2 r.rs Radiação refletida a.rs/2 Radiação transmitida Radiação solar em superfícies transparentes t.rs Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 9 9

10 Fluxo de calor através da janela O fluxo de calor que atravessa a janela é dado por: q = U Text + α RS Rse Tint + α RS q = U Text Tin) + (U α Rse + α RS q = U Text Tin + FS RS Onde: U é a transmitância térmica; Rse é a resistência superficial externa; RS é a radiação solar incidente; FS é o fator solar. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 10 10

11 Propriedades térmicas do vidro Comportamento térmico de alguns vidros segundo RIVERO (1986) Tipo de vidro Comum 0,85 0,07 0,08 Absorvente claro 0,52 0,41 0,07 Absorvente médio 0,31 0,63 0,06 Absorvente escuro 0,09 0,86 0,05 Refletor médio 0,25 0,42 0,33 Refletor escuro 0,11 0,42 0,47 Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 11 11

12 Propriedades térmicas do vidro Fator solar para alguns tipos de superfícies transparentes. Fonte LAMBERTS et al (2014). Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 12 12

13 Propriedades térmicas do vidro Fator solar para alguns tipos de proteções solares segundo LAMBERTS et al (2014) Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 13 13

14 Propriedades térmicas do vidro Anexo geral v do RAC Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 14 14

15 Propriedades térmicas do vidro Anexo geral v do RAC Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 15 15

16 Propriedades térmicas do vidro Anexo geral v do RAC Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 16 16

17 Radiação solar Radiação solar incidente em planos verticais e horizontais para o dia 22 de dezembro na latitude 30 Sul segundo FROTA & SCHIFFER (1995) Orientação Radiação solar (W/m 2 ) 6h 7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h Sul Sudeste Leste Nordeste Norte Noroeste Oeste Sudoeste Horizontal Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 17 17

18 Exemplo Determine a densidade de fluxo de calor máximo (considerando latitude 30 sul) para uma janela orientada para oeste, com vidro transparente comum 3 mm (U=5,8 W/m²K), sem proteção, com veneziana, com persiana fechada e com persiana inclinada 45. Considere a temperatura externa em 33 C e a interna em 27 C Dados: Orientação = oeste (latitude 30º sul) Pior situação de verão: 22/12, 16 h RS = 715 W/m² FS sem proteção= 0,87 FS com veneziana= 0,09 FS com persiana fechada= 0,54 FS com persiana inclinada 45 = 0,64 q = U Text Tin + FS RS q = 5,8 6 + FS 715 q = 656,8 W/m² q = 99,1 W/m² q = 420,9 W/m² q = 492,4 W/m² (sem proteção) (com veneziana) (com persiana fechada) (com persiana inclinada 45 ) Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 18 18

19 TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS + + Vidros duplos; + Vidros e filmes múltiplos + Vidros tingidos + Vidros e filmes reflexivos + Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas + Gás de baixa condutividade + Espaçadores termicamente melhorados + Materiais para esquadrias e para vedação Vidros duplos Características: Aumento da resistência térmica Pequena redução da transmissão de luz Melhor desempenho térmico com espaço igual a 12mm entre os panos quando preenchidos por ar Aplicações: Construções com necessidades de aquecimento ou resfriamento (uso freqüente do ar-condicionado) 19

20 Vidros e filmes múltiplos Características: Aumento da resistência térmica (maior que os vidros duplos) Menor condensação durante o inverno Visibilidade é reduzida com cada camada adicional Redução do Ganho de calor solar Problema: aumento da espessura da janela Aplicações: Climas Frios (onde a redução da perda de calor é a prioridade) Climas bastante quentes Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 20 20

21 Vidros tingidos Características: Absorvedores de calor Menor transmissão de luz, (tradicionais bronze e cinza) Vidros com cores alternativas podem manter a passagem de luz (espectralmente seletivos azul e verde) Aplicações: Edificações comerciais Climas quentes (redução do ganho de calor solar quando associados a outras tecnologias) Situações onde a redução do brilho do ambiente externo é desejável Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 21 21

22 Vidros e filmes reflexivos Características: Redução do ganho de calor solar Redução da passagem de luz Problema: podem produzir efeito exterior de espelho Aplicações: Edificações comerciais Climas quentes (redução do ganho de calor solar) Situações onde a redução da claridade é desejável Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 22 22

23 Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas Características: Reflexão de radiação em onda longa (redução da perda de calor no inverno) Redução da ocorrência de condensação Reflexão da radiação solar (redução do ganho de calor no verão) Mantêm boa visibilidade Aplicações: Climas frios: camadas de Baixa emissividade Climas quentes: camadas de seleção espectral Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 23 23

24 Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas Vidro claro Alta Transmissividade Espectralmente seletiva Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 24 24

25 Gás de baixa condutividade (Argônio, Kriptônio, hexafluoreto de enxofre e dióxido de carbono) Características: Aumento da resistência (redução da perda/ganho de calor por condução) Aumento Redução da ocorrência da condensação Não afeta a transmissão da luz visível Aplicações: Climas frios onde a redução da perda de calor seja a prioridade Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 25 25

26 Espaçadores termicamente melhorados Características: Redução da perda de calor pela por condução Mantêm a temperatura mais elevada na borda dos vidros reduzindo a condensação Aplicações: Climas frios (onde a redução da perda de calor é a prioridade) Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 26 26

27 Novos materiais para esquadrias e vedação Esquadrias: Alumínio (thermal break) Alumínio com madeira Madeira e vinil (PVC) Vinil Fibra de vidro Vedações: Mais duráveis e com melhor desempenho Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 27 27

28 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA + Impacto no consumo de energia Impacto no consumo de energia O aumento da eficiência das janelas gera influências a curto e longo prazo: Custo Prazo: + Melhoria do conforto; Redução do valor da conta de energia. Longo Prazo (a nível nacional e global): Maior oferta de energia; Redução do custo da energia; Redução da emissão de poluentes e aquecimento global

29 Impacto no consumo de energia Desempenho energético anual com diferentes tipos de janelas em 4 climas dos EUA (aquecimento) Estação Fria 1 Btu = 0,293 kwh Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 29 29

30 Impacto no consumo de energia Desempenho energético anual com diferentes tipos de janelas em 4 climas dos EUA (aquecimento) Estação quente Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 30 30

31 Impacto no consumo de energia Para o EUA: As janelas geram um custo adicional de energia de U$ 9,3 bilhões. Estima-se que se todas as janelas compradas de 1996 à 2010 (15 anos) incorporassem filmes de baixa emissividade, gás de baixa condutividade ou outras tecnologias disponíveis, esta conta poderia ser reduzida em 25% ou seja mais de U$ 2 bilhões até 2010 (LBNL). De maneira geral percebe-se: Um grande potencial de conservação de energia Fonte de suprimento sem grandes investimentos e impactos ambientais Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 31 31

32 P & D DE NOVOS PRODUTOS + + Novas tecnologias Novas tecnologias Nos últimos anos tem ocorrido um grande progresso na melhoria da eficiência energética de janelas; Na década de 70 o uso de camadas especiais e gás de baixa condutividade ainda eram vistas como algo distante, no entanto hoje são produtos comuns; Tempo de pesquisa e desenvolvimento tem sido encurtado e a introdução do novos produtos no mercado tem sido acelerada; É difícil dizer agora quais das muitas pesquisas de produtos que estão sendo realizadas hoje, irão encontrar lugar no mercado futuramente

33 Novas tecnologias SUPERWINDOWS : Janela com todos os elementos disponíveis para aumentar o isolamento Características: Alta resistência térmica Reduz a perda de calor no inverno e ganhos no verão Visibilidade é significativamente diminuída com o adição do maior número de camadas Aplicações: Climas frios (redução da perda de calor) Grandes áreas envidraçadas Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 33 33

34 Novas tecnologias COOL WINDOWS : Janelas que admitem a passagem da luz visível enquanto rejeitam grande parte do calor solar da porção infra vermelha. AEROGEL: Material na forma de espuma, a base de sílica ( 4% sílica e 96% ar) com características de isolamento e transparência. SMART WINDOWS : São janelas capazes de mudar dinamicamente suas propriedades para controle da passagem de luz e fluxo de calor. Utilizam camadas microscopicamente finas que mudam suas propriedades em resposta a luz, calor e sinais elétricos. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 34 34

35 CERTIFICAÇÃO E SELAGEM + NFRC NFRC (National Fenestration Rating Council) + Organização sem fins lucrativos, de parceria pública e privada, criada para a indústria de janelas, portas e aberturas dos EUA. Tem por objetivo principal fornecer informações precisas de desempenho energético de janelas, portas e aberturas. Desde de seu início em 1989, o NFRC tem tido sucesso na análise e certificação do desempenho de aberturas residenciais. Atualmente existem mais de 81 mil produtos cadastrados

36 NFRC Sistema de selagem O NFRC estabeleceu um sistema nacional voluntário de avaliação e selagem energética de aberturas. Este sistema avalia as seguintes propriedades: 1. Transmitância térmica; 2. Coef. de ganho de calor solar (SHGC); 3. Transmissão de luz visível; 4. Infiltração de ar. O NFRC não faz: Separação entre boas janelas e más janelas; Estabelecer padrões mínimos de desempenho. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 36 36

37 NFRC Como é realizada a certificação? O NFRC : 1. desenvolve padrões (normas) para que as avaliações dos produtos ocorram de maneira uniforme; 2. revê e aprova ferramentas de simulação computacionais e procedimento de testes para obtenção de avaliações térmicas precisas; 3. mantêm uma listagem de laboratórios qualificados para realizarem testes e simulações a fim de determinar o desempenho térmico dos produtos; 4. fornece os resultados para um agente independente avaliar e rever a documentação, conduzir inspeções e aprovar a certificação e selagem; 5. licencia fabricantes a utilizarem os selos de certificação em seus produtos. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 37 37

38 NFRC Programas Computacionais para simulação WINDOWS Programa realiza o cálculo de índices de desempenho térmico em janelas (Transmitância, SGHC, SC,VT). Este programa atende aos padrões da NFRC para realização de avaliação de produtos. RESFEN Realiza o cálculo do consumo e o custo anual de energia para aquecimento e resfriamento devido ao sistema de aberturas. Também calcula a contribuição das janelas para o pico de carga de térmica. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 38 38

39 NFRC Programas Computacionais para simulação THERM Programa utilizado para análise bidimensional da transferência de calor em componentes de construção como: janelas, paredes, fundações, portas, tetos, etc. OPTICS Programa para análise da propriedades óticas dos sistemas envidraçados. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 39 39

40 NFRC Quando um fabricante decide certificar seus produtos, ele os submete a uma avaliação mais precisa em relação ao desempenho energético. Isso ajuda tanto consumidores, projetistas, construtores bem como o próprio fabricante. Benefícios: Consumidor: economia de energia e dinheiro; Projetista: especificação de produtos para minimizar a carga térmica de resfriamento e aquecimento, aproveitamento da luz natural; Construtores: proporcionar conforto e eficiência energética. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil Certificação e selagem 40 40

41 O selo NFRC O selo NFRC tem a função de ajudar a determinar qual produto apresenta melhor desempenho em relação ao aquecimento, resfriamento, isolação ao vento, resistência à condensação, etc. Com isso é possível compara os produtos e tomar a melhor decisão na hora da compra. Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 41 41

42 Marca da NFRC Nome do fabricante Nome da agência independente Descrição do produto Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 42 42

43 Transmitância: (1 Btu/h/ft² F = W/m² C) Coef. Ganho de calor solar: É a medida do calor solar que é transmitida para o interior do ambiente (valor entre 0 e 1) Transmissão de luz: É o percentual ou fração do espectro visível, sensível ao olho, que é transmitido pelo vidro (valor entre 0 e 1) Infiltração de ar: (1 cfm/ft² = 0,305 m³min/m²) Valores adicionais de desempenho: Resistência a condensação (valor expresso entre 0 e 100) Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 43 43

44 SELEÇÃO DE JANELAS + + Considerações principais Considerações principais APARÊNCIA Tamanho e forma Estilo Materiais da esquadrias Tipos de Vidros? PERFORMANCE ENERGÉTICA Propriedades energéticas básicas Desempenho durante os períodos quentes e frios Impactos no o pico de carga Potencial de manter a desempenho energético a longo prazo FUNÇÃO Iluminação natural Controle de luminosidade Conforto térmico Resistência a condensação Ventilação Controle sonoro Manutenção e durabilidade CUSTO Custo inicial da janela e instalação Custo de manutenção Freqüência de substituição Custo inicial do sistema de aquecimento/resfriamento Custo anual de energia com aquecimento/resfriamento 44 44

45 JANELAS NO BRASIL + Normas + Mercado + Brasil x Exterior Normas Normas técnicas a serem consideradas em projetos de caixilharia NBR Caixilhos para edificação - Janelas - Especificação + NBR 65 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação da penetração de ar - Método de Ensaio No Brasil, projetistas, proprietários e construtores tratam com baixa prioridade a eficiência energética das aberturas NBR 66 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação da estanqueidade à água - Método de Ensaio NBR 67 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação do comportamento quando submetido a cargas uniformemente distribuídas - Método de Ensaio 45 45

46 Mercado Lentidão no cumprimento das normas: Dificuldade de levar a informação a milhares de pequenos fornecedores e construtores. A mentalidade de muitos empresários que não investem em mudanças uma vez que o mercado continua fiel. Problema: Desconhecimento técnico dos fabricantes: O mercado brasileiro é compartilhado por milhares de pequenas empresas espalhadas pelo país Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil Janelas no Brasil 46 46

47 Mercado Esquadrias : Aço e madeira tem as linhas mais populares e preços mais acessíveis. O setores PVC e alumínio são os setores mais organizados. Estima-se: Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil 47 47

48 Brasil x Exterior 1.Pesquisa, desenvolvimento, e uso de novas tecnologias estão bastante avançados no exterior, associada à uma preocupação com conservação de energia; 2.No Brasil o processo ainda está iniciando. Chegada de novas tecnologias (que precisam ser adaptadas a nossa realidade) Desenvolvimentos de Normas e padronizações Organização dos setor Conscientização Introdução Desempenho Tecnologia EE P&D Certificação Seleção Brasil