SISTEMAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO PELO EXTERIOR NA REABILITAÇÃO DE EDIFÍCIOS: DESEMPENHO E OPTIMIZAÇÃO

Transcrição

1 SISTEMAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO PELO EXTERIOR NA REABILITAÇÃO DE EDIFÍCIOS: DESEMPENHO E OPTIMIZAÇÃO Fotografia Autor 1 30 mm x 40 mm Fotografia Autor 1 30 mm x 40 mm BRUNO FREIRE Aluno de Mestrado (MCR) IST-UL Lisboa; Portugal bfreire.pt@gmail.com A. MORET RODRIGUES Prof. Associado IST-UL/ICIST Lisboa; Portugal moret.rodrigues@tecnico.ulisboa.pt RESUMO A reabilitação dos edifícios existentes apresenta um forte potencial de expansão, não só por razões associadas à degradação construtiva como também à desadequação que apresentam face às exigências da legislação em vigor. Enquadram-se neste caso as exigências de desempenho energético, que têm conhecido marcada evolução nos últimos anos, com a publicação das Directivas Europeias 2002/91/CE e 2010/31/EU. Neste contexto, os sistemas compósitos de isolamento térmico pelo exterior (ETICS) constituem uma das soluções mais bem posicionadas para melhorar o desempenho térmico e energético dos edifícios. Neste artigo é feita uma análise de alguns destes sistemas relativamente ao desempenho conferido, através de um programa de simulação dinâmica do comportamento térmico de edifícios, e aos custos envolvidos e nível óptimo de isolamento, por aplicação da metodologia europeia proposta. 1. INTRODUÇÃO No início do século XXI, os edifícios residenciais e terciários eram responsáveis por 40% do consumo final de energia na União Europeia, o que originou a introdução de legislação para assegurar que os mesmos consumissem progressivamente menos energia. Nesse sentido, a Comissão Europeia publicou a Directiva 2002/91/CE [1] relativa ao desempenho energético de edifícios (EPBD-Energy Performance of Buildings Directive), que teve como principal objectivo adoptar: (i) uma metodologia de cálculo do desempenho energético integrado dos edifícios; (ii) requisitos mínimos para o desempenho energético dos edifícios novos e edifícios existentes sujeitos a grandes obras de renovação; (iii) a certificação energética dos edifícios; (iv) a inspecção regular de caldeiras e de instalações de ar condicionado. Em 2010, esta directiva é objecto de reformulação através da Directiva 2010/31/UE (EPBD recast) [2], que pretende reforçar disposições anteriores e implementar novas disposições por forma a assegurar os seguintes objectivos em 2020: reduzir em 20% as emissões de gases com efeito de estufa; aumentar em 20% a produção de energia com renováveis e; aumentar em 20% a eficiência energética. Para além de reforçar os objectivos previamente definidos pela Directiva 2002/91/CE, esta reformulação introduziu uma abordagem para o cálculo dos níveis óptimos de rentabilidade dos requisitos mínimos de desempenho energético dos edifícios novos e existentes que está presente no Regulamento Delegado (UE) Nº 244/2012 [3]. Esta abordagem assenta numa metodologia comparativa que permite ter em conta os padrões de utilização, as condições climáticas exteriores, os custos de investimento, a categoria do edifício, os custos de manutenção e funcionamento (incluindo os custos e as poupanças de energia), as receitas resultantes da energia produzida, quando aplicável, e os custos de eliminação, quando aplicável. Dada a quebra do número de construções novas e o potencial de expansão da reabilitação de edifícios existentes em Portugal [4], pretende-se efectuar uma análise do desempenho de alguns sistemas compósitos de isolamento térmico pelo exterior (ETICS), uma vez que se 1

2 apresentam com grande potencial para melhorar o desempenho térmico e energético de edifícios existentes. Esta análise assentará no estudo de um edifício tipo situado em Lisboa através da simulação dinâmica do seu comportamento térmico e energético, gerada no programa EnergyPlus, e posterior aplicação da metodologia europeia para cálculo dos níveis óptimos de rentabilidade associados a cada um dos sistemas ETICS em estudo. 2. DEFINIÇÃO DO CASO DE ESTUDO A definição de um caso de estudo prático traduz-se num edifício a necessitar de reabilitação térmica, anterior à entrada em vigor da primeira regulamentação das características de comportamento térmico dos edifícios (RCCTE) [5]. O caso de estudo escolhido é um piso tipo de um edifício residencial de 10 pisos, datado de 1967, que é constituído por quatro apartamentos e tem as quatro fachadas exteriores (Figura 1). Este facto permitirá uma análise do desempenho em função dos pontos cardeais uma vez que cada uma das fracções está orientada para cada um desses pontos cardeais (Norte, Sul, Este e Oeste). Complementarmente, existem mais dois edifícios iguais nos lotes adjacentes (Figura 2), o que permite equacionar uma possível lógica de repetição na estratégia de reabilitação. No presente caso, o edifício em estudo localiza-se em Lisboa, na freguesia dos Olivais, e está integrado na zona climática de Inverno I1 e de Verão V2 de acordo com o actual regulamento [6] (Figura 3). A análise do desempenho energético realizar-se-á a partir de um piso tipo do edifício antes de ser intervencionado, mantendo as características construtivas originais das paredes exteriores, e após a reabilitação térmica onde se irá ensaiar várias soluções com sistemas ETICS para as diferentes orientações solares. Figura 1: Perspectiva exterior do edifício. Figura 2: Localização do caso de estudo. Figura 3: Zonamento climático de inverno e verão do caso de estudo [6]. 2.1 Geometria O piso tipo do edifício apresenta quatro apartamentos com tipologia T3 designados por AP01-E, AP02-N, AP03-O e AP04-S, cujas orientações são Este, Norte, Oeste e Sul, respectivamente (Figura 4). Todos os apartamentos são simétricos entre si e cada um deles tem uma área de pavimento de m 2 e um pé direito livre de 2.8 m. A envolvente exterior opaca de cada um dos apartamentos ocupa aproximadamente 77% da área total exterior, sendo os restantes 23% destinados a envidraçados. AP02-N AP03-O AP01-E AP04-S Figura 4: Planta e modelação tridimensional do piso tipo do edifício em estudo. 2.2 Caracterização dos elementos construtivos No que diz respeito à envolvente exterior do edifício, assumem-se como soluções originais ou anteriores à reabilitação térmica, a solução actualmente existente de paredes duplas de alvenaria de tijolo furado com caixa-de-ar e sem isolamento térmico (SO1) e uma outra opção com parede simples de alvenaria de tijolo furado (SO2), que é uma 2

3 solução existente em muitos edifícios anteriores ao primeiro RCCTE. Sendo que o presente estudo irá incidir sobre o desempenho dos sistemas ETICS, as opções de reabilitação apenas incidirão nas paredes exteriores, sendo que os restantes elementos construtivos (vãos envidraçados, paredes separadoras de fogos, pavimentos e tectos) irão manter a sua constituição original e não será implementada nestes elementos nenhuma solução de reabilitação. Assim, na Tabela 1 estão apresentados os coeficientes de transmissão térmica dos diferentes elementos construtivos que irão fazer parte das simulações dinâmicas de desempenho energético. Tabela 1 - Coeficientes de transmissão térmica dos elementos construtivos. Paredes exteriores Paredes Pavimentos e Vãos SO1 SO2 interiores tectos envidraçados U (W/m 2.ºC) Caracterização das soluções de reabilitação com sistemas ETICS As soluções de reabilitação térmica de fachadas com sistemas ETICS a simular no edifício em estudo apresentam diferentes tipos de isolamento térmico, como o poliestireno expandido (EPS), o poliestireno extrudido (XPS), a lã mineral (MW) e o aglomerado de cortiça expandido (ICB). Estas soluções de reabilitação vão ser aplicadas a cada uma das soluções originais (SO1 e SO2) e com espessuras de isolamento térmico que variam entre os 20, 40, 60, 80 e 100 mm. Na Tabela 2 apresentam-se os coeficientes de transmissão térmica de cada uma das soluções de reabilitação térmica aplicadas nas soluções originais. Tabela 2- Coeficientes de transmissão térmica das soluções de reabilitação com sistemas ETICS. ETICS com poliestireno expandido ETICS com poliestireno extrudido ETICS com lã mineral ETICS com aglomerado de cortiça expandido SO1 EPS SO1 XPS SO1 MW SO1 ICB Esp. (mm) U (W/m 2.ºC) SO2 EPS SO2 XPS SO2 MW SO2 ICB Esp. (mm) U (W/m 2.ºC) NECESSIDADES ENERGÉTICAS O objectivo desta secção é o de calcular as necessidades nominais de energia útil por m 2 na estação de aquecimento e na estação de arrefecimento para cada uma das soluções originais de referência e para as soluções de reabilitação com sistemas ETICS. O cálculo dessas necessidades é efectuado a partir da modelação do piso tipo do edifício em estudo, com as características anteriormente descritas, e realizar uma simulação dinâmica com o software EnergyPlus. Assim, pretende-se comparar os resultados das soluções originais de referência SO1 e SO2 com as respectivas soluções de reabilitação. O ficheiro climático utilizado para a simulação dinâmica foi o Lisbon weather data [7] tendo a duração da estação de aquecimento sido de 5.3 meses e a duração da estação de arrefecimento de 4 meses (Junho, Julho, Agosto e Setembro). Relativamente às temperaturas interiores de conforto foram tomados os valores regulamentares de 18 ºC e 25 ºC para as estações de aquecimento e arrefecimento, respectivamente [6]. 3.1 Padrões de utilização Para a simulação das necessidades energéticas definiram-se os ganhos internos através do número de ocupantes que vivem diariamente em cada apartamento, da iluminação e dos equipamentos dissipadores de calor. O actual regulamento de desempenho energético dos edifícios de habitação [6] estabelece um valor médio permanente de 4 W/m 2 para os ganhos internos não considerando padrões de utilização específicos. Ao contrário do que o regulamento propõe, nesta simulação os ganhos internos foram calculados a partir de padrões de utilização diários (Figura 5) por forma a aproximar o mais possível a simulação da realidade [8]. Assim, recorreu-se ao Inquérito ao Consumo de Energia no Sector Doméstico 2010 [9], que estabelece o número médio de ocupantes por m 2, o consumo médio anual em iluminação e os consumos globais de equipamentos para edifícios residenciais. Relativamente à ventilação, considerou-se para o caso de estudo que esta se processa de igual forma em todas as frações e sem auxílio de sistemas mecânicos. Para a fixação da taxa de ventilação adoptaram-se os critérios simplificados da anterior regulamentação (RCCTE), tendo-se para isso considerado para o caso de estudo caixilharias sem classificação relativamente à 3

4 permeabilidade ao ar, caixa de estore e a não existência de dispositivos de admissão de ar na fachada. Na Tabela 3 apresentam-se os padrões de utilização, as potências da iluminação e equipamentos e a taxa de renovação de ar. Tabela 3: Padrões de utilização dos ganhos internos e taxa de renovação do ar [9]. Ocupação (nº de ocupantes) 3 Período de ocupação Todos os dias das 18h às 8h (período em actividade das 18h às 24h e das 7h às 8h; período de dormir das 24h às 7h) Ganho total diário (Wh/m 2 ) 51 Potência média diária (W/m 2 ) 2.13 Iluminação Todos os dias das 18h às 24h Consumo por cada hora de funcionamento (Wh) 149 Consumo diário por m 2 (Wh/m 2 ) 8.35 Potência média diária (W/m 2 ) 0.35 Todos os dias 24h (período de utilização 1 das Equipamentos 24h às 7h; período de utilização 2 das 7h às 18h; período de utilização 3 das 18h às 24h) Consumo diário por m 2 (Wh/m 2 ) 46 Potência média diária (W/m 2 ) 1.92 Ganhos internos diários por m 2 (Wh/m 2 ) 105 Ganhos internos médios horários (W/m 2 ) 4.40 Taxa de renovação do ar (R ph ) 1.05 Figura 5: Gráfico dos padrões de utilização dos ganhos internos ao longo do dia. No que diz respeito aos sistemas de aquecimento e arrefecimento, os mesmos também funcionarão apenas quando os ocupantes estão em casa, o que faz com que o seu funcionamento fique restringido ao horário das 18h às 8h. Para o cálculo das necessidades energéticas para a estação de arrefecimento estabeleceu-se também a utilização de dispositivos de protecção solar (persianas exteriores de réguas plásticas) que são activados sempre que a radiação solar incidente nos vãos seja superior a 300 W/m 2, estando esta opção desactivada para a estação de aquecimento. 3.2 Necessidades energéticas na estação de aquecimento Na Figura 6 apresentam-se as necessidades energéticas em kwh/m 2 na estação de aquecimento para cada um dos apartamentos, no que diz respeito à solução SO1 e respectivas soluções de reabilitação com sistemas ETICS. Figura 6: Necessidades energéticas de aquecimento das quatro fracções para a solução SO1 e respectivas soluções de reabilitação. A poupança energética anual em relação à solução SO1 varia em média entre os 11% e os 25%, para espessuras de 20 mm e 100 mm respectivamente, e para o apartamento com mais necessidades energéticas na estação de aquecimento (AP02-N). Para o apartamento com menores necessidades energéticas na estação de aquecimento (AP04-S) a poupança anual situa-se, em média, entre os 12% e os 27%, para espessuras de 20 mm e 100 mm respectivamente. Relativamente à solução SO2 (Figura 7) a poupança nas necessidades energéticas de aquecimento para o apartamento com mais necessidades energéticas na estação de aquecimento (AP02-N) varia em média entre os 14% e os 29%, para espessuras de 20 mm e 100 mm respectivamente. Para o apartamento com menores necessidades energéticas na estação de aquecimento (AP04-S) a poupança anual situa-se, em média, entre os 16% e os 32%, para espessuras de 20 mm e 100 mm respectivamente. 4

5 Figura 7: Necessidades energéticas de aquecimento das quatro fracções para a solução SO2 e respectivas soluções de reabilitação. 3.3 Necessidades energéticas na estação de arrefecimento Nas Figuras 8 e 9 apresentam-se as necessidades energéticas para a estação de arrefecimento relativamente às soluções SO1, SO2 e respectivas soluções de reabilitação. Como se pode verificar, a maior poupança energética nesta estação acontece sobretudo nos apartamentos AP01-E e AP04-S, que apresentam maiores necessidades energéticas durante este período. Relativamente aos outros dois apartamentos, AP02-N e AP03-O, a diminuição das necessidades energéticas com as soluções de reabilitação é relativamente baixa, não existindo grandes variações nas necessidades energéticas das diferentes soluções de reabilitação com diferentes espessuras. Esta situação ocorre devido à menor exposição solar dos apartamentos AP02-N e AP03-O, cujo resultado são temperaturas interiores mais baixas e mais próximas da temperatura de conforto do que as que ocorrem nos apartamentos AP01-E e AP04-S. Nestas figuras conclui-se também que as soluções de reabilitação com os sistemas ETICS são menos eficazes na diminuição das necessidades energéticas na estação de arrefecimento em comparação com a estação de aquecimento. Figura 8: Necessidades energéticas de arrefecimento das quatro fracções para a solução SO1 e respectivas soluções de reabilitação. Figura 9: Necessidades energéticas de arrefecimento das quatro fracções para a solução SO2 e respectivas soluções de reabilitação. 5

6 4. ANÁLISE DE CUSTO-ÓPTIMO Conforme referido anteriormente, a EPDB de 2010 estabelece que os Estados Membros devem assegurar que sejam implementados requisitos mínimos associados ao desempenho energético, de forma a atingir níveis de custo-óptimo [2], [3]. O custo-óptimo é obtido a partir do custo global associado às medidas de melhoria do desempenho energético para um período de tempo de 30 anos. O custo global de uma solução de reabilitação é, por sua vez, dado pela soma dos custos de construção, que têm lugar no ano de início do projecto, com os custos diferidos no tempo, para o horizonte de projecto de 30 anos, relacionados com a energia (aquecimento e arrefecimento) necessária para assegurar as condições de conforto térmico interior, e com os trabalhos de manutenção para assegurar a qualidade de desempenho da solução durante o prazo estabelecido. O custo global (C! ) é obtido através da seguinte expressão [3]: C τ g ( τ ) = CI + Ca, ird ( i) V f, τ i= 1 em que τ é o período de cálculo (no máximo é o período de vida útil do projecto); C! são os custos iniciais (investimento) que envolvem o material e a mão de obra; R! (i) é a taxa de juro para o ano i; V!,! é o valor residual da medida no final do período de cálculo (em relação ao ano inicial τ! ); C!,! é o custo no ano i associado à medida de melhoria do desempenho energético dado por [3]: C!,! = C!,! + C!,! (2) em que C!,! é o custo de energia no ano i e C!,! o custo de manutenção da solução de reabilitação no ano i. Para o cálculo dos custos de energia para o período de 30 anos, obtiveram-se as necessidades de aquecimento e arrefecimento anuais para o edifício em estudo tendo em conta as diferentes medidas de reabilitação aplicadas (Tabela 2). A partir dessas necessidades é possível calcular a energia final (anual) a partir da razão entre a energia útil, correspondente às necessidades de aquecimento/arrefecimento calculadas, e a eficiência energética EER/COP dos sistemas de climatização para aquecimento/arrefecimento. Admitindo que todos os apartamentos em estudo apresentam o mesmo tipo de sistema de climatização, correspondendo a unidades de produção térmica de sistemas de ar condicionado com classe de eficiência C, obtém-se então, para sistemas com unidades split, multissplit e VRF, um EER mínimo de 2.80 e um COP mínimo de 3.20 [6]. A partir do cálculo da energia final anual necessária obtém-se a energia primária através do factor de conversão correspondente à forma de energia utilizada (2.5 no caso de energia eléctrica). Os resultados obtidos foram depois normalizados pela área útil de pavimento. O preço da energia elétrica, para efeitos de cálculo, foi considerado tendo em conta um tarifário simples de baixa tensão superior a 3.45 kva e inferior a 6.9 kva. O valor utilizado foi de /kwh tendo por base os preços de referência no mercado liberalizado de energia elétrica publicados pela ERSE para 2014 para o tarifário EDP Comercial Casa [10], sendo que o mesmo foi actualizado de acordo a previsão da Comissão Europeia para os preços da energia e respectiva taxa de juro [11]. Os custos de manutenção utilizados para cada um dos sistemas ETICS correspondem a custos periódicos decenais de acordo com o CYPE Gerador de Preços [12]. Para os custos de construção foram considerados os custos do material utilizado e de mão-de-obra, para cada uma das medidas de reabilitação a adoptar [13]. Nas Figuras 10, 11 e 12 apresentam-se os gráficos de cálculo do custo-óptimo para as diferentes soluções de reabilitação com ETICS em comparação com as soluções originais de referência SO1 e SO2. Em cada um dos gráficos está assinalado o valor de isolamento considerado óptimo para cada uma das soluções de reabilitação. (1) Figura 10: Gráficos de custo-óptimo para SO1 com soluções de reabilitação para os apartamentos AP01-E e AP02-N. 6

7 Figura 11: Gráficos de custo-óptimo para SO1 com soluções de reabilitação para os apartamentos AP03-O e AP04-S. Figura 12: Gráficos de custo-óptimo para SO2 com soluções de reabilitação para os apartamentos AP01-E, AP02-N, AP03-O e AP04-S. 7

8 5. CONCLUSÕES De acordo com os gráficos de custo-óptimo conclui-se que, para a solução SO1, apenas os apartamentos orientados a Este e a Norte (AP01-E e AP02-N) poderão beneficiar de poupanças do ponto de vista financeiro através de soluções de reabilitação com sistemas ETICS. No caso do apartamento AP01-E, apenas a solução de ETICS com EPS fica abaixo do valor de referência de SO1, com o custo-óptimo a ficar nos 40 mm de espessura de isolamento (SO1EPS40). No apartamento AP02-N são as soluções de ETICS com EPS, XPS e MW as que produzem poupanças em relação à solução original, com o custo-óptimo a situar-se na espessura de 60 mm no caso de EPS (SO1EPS60) e na espessura de 40 mm no caso de XPS (SO1XPS40) e de MW (SO1MW40). Nos restantes apartamentos, orientados a Oeste e Sul (AP03-O e AP04- S), todas as soluções de reabilitação apresentadas ficam acima do valor de referência da solução original SO1. Para a solução SO2, a conclusão obtida é idêntica à solução SO1 sendo que apenas nos apartamentos orientados a Este e Norte (AP01-E e AP02-N) as soluções de reabilitação com ETICS introduzem poupanças do ponto de vista financeiro para o período de 30 anos. A diferença em relação à solução SO1 é que para o apartamento AP01-E as soluções de reabilitação de ETICS para a solução SO2 com EPS e XPS são vantajosas e para o apartamento AP02-N todas as soluções de reabilitação com ETICS analisadas (com EPS, XPS, MW e ICB) situam-se abaixo do valor de referência da solução original SO2. No caso do apartamento AP01-E, o custo-óptimo para a solução de ETICS com EPS foi obtido com 40 mm (SO2EPS40), tendo o custo-óptimo da solução com XPS sido obtido para a mesma espessura (SO2XPS40). Para o apartamento AP02-N, o custo-óptimo ficou definido, no caso do EPS e XPS, nos 60 mm de espessura (SO2EPS60 e SO2XPS60) e para as soluções com MW e ICB ficou definido com 40 mm de espessura (SO2MW40 e SO2ICB40). Nos restantes apartamentos, AP03-O e AP04-S, nenhuma das soluções de reabilitação com ETICS analisada obteve um valor inferior à solução original de referência SO2. Com estes resultados conclui-se também que as soluções de reabilitação com sistemas ETICS aplicadas a este edifício em particular são mais eficazes nos apartamentos que apresentaram maiores necessidades energéticas para aquecimento, tendo esta estação um peso importante no cálculo da energia primária utilizada. É também de prever que o progressivo aumento da eficiência dos sistemas de climatização, bem como a diminuição da temperatura de conforto de referência (que na anterior regulamentação era de 20 ºC e que baixou para 18 ºC no regulamento actual), originem uma diminuição dos benefícios das medidas de reabilitação com sistemas ETICS, sob o ponto de vista financeiro, podendo influenciar a escolha do tipo de isolamento a implementar. 6. REFERÊNCIAS [1] Comissão Europeia, Directiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Dezembro de 2002 relativa ao desempenho energético dos edifícios, Jornal Oficial das Comunidades Europeias, p. 7, [2] Comissão Europeia, Directiva 2010/31/UE do Parlamento Europeu e do Conselho de 19 de Maio de 2010 relativa ao desempenho energético dos edifícios, Jornal Oficial da União Europeia, p. 23, [3] Comissão Europeia, Regulamento Delegado (UE) N.º 244/2012 da Comissão de 16 de Janeiro de 2012 que complementa a Diretiva 2010/31/UE do Parlamento Europeu e do Conselho, Jornal Oficial da União Europeia, p. 19, [4] Instituto Nacional de Estatística, Estatísticas da Construção e Habitação 2010, Lisboa: Instituto Nacional de Estatística, 2011, p. 93. [5] Ministério das Obras Públicas, Transportes e Comunicações, Decreto-Lei nº 40/90 de 6 de Fevereiro, Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios, RCCTE, Diário da República - 1ª Série, p. 15, [6] Ministério da Economia e do Emprego, Decreto-Lei nº 118/2013 de 20 de Agosto de 2013, Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação, REH, Diário da República - 1ª Série, p. 18, [7] INETI, Lisbon weather file, [Online]. Available: try=prt/cname=portugal. [Acedido em 2 Junho 2014]. [8] N. Pereira, Energy-Efficient Retrofit of Residential Buildings, Lisbon 1960's - 70's case study, Lisboa: Instituto Superior Técnico, 2012, pp [9] INE e DGEG, Inquérito ao Consumo de Energia no Sector Doméstico 2010, Lisboa: Instituto Nacional de Estatística e Direcção-Geral de Energia e Geologia, 2011, p [10] ERSE, Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos, Preços de referência no mercado liberalizado de energia elétrica e gás natural em Portugal Continental, Agosto [Online]. Available: [Acedido em 20 Setembro 2014]. [11] European Commission, EU Energy, Transport and GHG Emissions, Trends to 2050, Reference Scenario 2013, Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2014, pp [12] CYPE Ingenieros, S.A., Gerador de preços, [Online]. Available: [Acedido em 29 Setembro 2014]. [13] Saint-Gobain Weber Portugal, S.A., Simulador de Cálculo, [Online]. Available: [Acedido em 23 Julho 2014]. 8