REGULAMENTAÇÃO TÉRMICA DE EDIFÍCIOS CÁLCULO DOS GANHOS TÉRMICOS ÚTEIS Building Thermal Regulation heat gains calculation method

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1 REGULAMENTAÇÃO TÉRMICA DE EDIFÍCIOS CÁLCULO DOS GANHOS TÉRMICOS ÚTEIS Building Thermal Regulation heat gains calculation method Pinto Armando Engenheiro Mecânico LNEC-NCI Resumo No âmbito da revisão do RCCTE foram revistos os métodos de cálculo das necessidades térmicas nominais de aquecimento e de arrefecimento. Nesta comunicação pretende-se apresentar a proposta elaborada para o método de cálculo dos ganhos térmicos úteis, indicar algumas das simplificações inerentes a esse método e apresentar uma comparação do método proposto face ao método definido no regulamento de 1990 e com resultados obtidos com um modelo de simulação térmico de edifícios em regime dinâmico. Palavras-chave: regulamentação, ganhos térmicos, térmica edifícios e envidraçados. Abstract In the revision of Portuguese Building Thermal Regulation it was revised the calculation methods of heating and cooling energy requirements. In this paper is presented the proposed method for the calculation of building useful heat gains, it is presented some of the simplification made and is shown a short comparison of results obtained with the proposed method, the method specified in RCCTE and with a dynamic building thermal simulation tool. Keywords: building regulation, heat gains, thermal performance and glazing. 1 Introdução O RCCTE [1] encontra-se em vigor à cerca de 14 anos, tendo sido objecto de revisão recentemente, atendendo às evoluções tecnológicas entretanto ocorridas e aos requisitos imposto em particular pela publicação da Directiva comunitária sobre a eficiência energética dos edifícios [2]. Entre os requisitos da revisão do RCCTE para o cálculo das necessidades nominais de aquecimento e de arrefecimento encontrava-se a adopção, sempre que possível, de métodos de cálculo de acordo com a normalização Europeia, podendo ser realizadas as adaptação e incorporados constrangimentos relacionados com as especificidades nacionais. Para método de cálculo das necessidades nominais de aquecimento o grupo de trabalho de revisão do RCCTE utilizou como elemento de base a norma EN ISO [3]. Face à abrangência do campo de aplicação dessa norma e à complexidade de alguns métodos de cálculo, como por exemplo o associado à intermitência do funcionamento dos sistemas de aquecimento, foi necessário proceder a algumas simplificações e à uniformização de algumas condições fronteira de forma a ser criado um método que permita obter um índice necessidades térmicas nominais que possibilite a comparação de edifícios, sendo que um valor superior dos índices corresponderá a edifícios comparativamente mais frios no inverno e quentes no verão.

2 Atendendo à necessidade de reduzir os consumos de energia em geral e no sector dos edifícios em particular, o aproveitamento das energias renováveis e em particular da energia solar reveste- -se da maior importância. Entre as tecnologias destinadas ao aproveitamento da radiação solar nos edifícios, provavelmente das mais antigas e das mais utilizadas, encontra-se o aproveitamento directo da radiação solar através dos vãos envidraçados para aquecimento e iluminação do interior. Além do aproveitamento directo da radiação solar pelos vãos, foram desenvolvidos ao longo de vários anos outras tecnologias para aproveitamento da radiação solar [4], usualmente designadas por tecnologias solares passivas. Para incentivar a adopção das tecnologias solares passivas para aquecimento e para uma adequada valorização do aproveitamento da radiação solar, foi reformulado o métodos de cálculo dos ganhos solares úteis, tentando quantificar de forma mais exacta os ganhos solares pelos vãos, bem como foi aberta a possibilidade de serem incorporados resultados da aplicação de métodos de cálculo específicos de tecnologias solares passivas, como por exemplo o método SLR-P do INETI entre outros [3,4]. A proposta de método de cálculo dos ganhos térmico úteis para a estação de aquecimento encontra-se no documento [5], encontrando-se no documento [6] os factores de obstrução aplicáveis à estação de arrefecimento pois o método de cálculo dos ganhos térmicos é semelhante ao da estação de aquecimento. A importância da revisão do método de cálculo dos ganhos térmicos e em particular dos ganhos solares, além de constituir uma adequada valorização e incentivo ao aproveitamento da radiação solar, também permite evitar estimativas artificialmente elevadas/reduzidas dos ganhos solares que, além de falsearem o índice das necessidades térmicas nominais de aquecimento, podem em caso de uma estimativa por excesso permitir aligeirar o nível de isolamento térmico da envolvente dos edifícios. Nesta comunicação, no ponto 2 é efectuada uma apresentação resumida do método bem como algumas das simplificações efectuadas, sendo apresentada no ponto 3 uma comparação dos resultados obtidos com o método proposto face aos obtidos com o método definido no RCCTE [1] e com um modelo de simulação dinâmica (ESP-r). 2 Método de cálculo 2.1. Cálculo dos ganhos térmicos brutos No cálculo dos ganhos térmicos brutos (Q g ) [5] são considerados não só os ganhos solares (Q s ), mas também os ganhos térmicos internos (Q i ) associados a fontes internas de calor tais como: ocupantes, electrodomésticos, iluminação, etc, equação 1. Q g = Qi + Qs (1) Esta abordagem é ligeiramente diferente da anteriormente adoptada [1], pois nessa versão do regulamento era considerado que os ganhos térmicos internos e solares, excluindo os existentes nos envidraçados expostos no quadrante Sul, seriam responsáveis por um aquecimento interno de cerca de 3ºC. Essa aproximação, dependendo dos caos, pode conduzir a erros significativos, pois o incremento de temperatura associado aos ganhos térmicos depende da intensidade dos ganhos e das perdas térmicas do espaço (equação 2), as quais são bastante variáveis dependendo do nível de isolamento térmico, factor de forma, etc. Dependendo das situações, o incremento da temperatura interior associado aos ganhos térmicos internos pode ser de apenas cerca de 1ºC, até cerca de 7ºC, admitindo uma intensidade de ganhos térmicos internos de 4 W/m 2. T = Q /[ ( U.A + Ψ.L) + ρ.c. V& i p ] (2) Quando desejavelmente forem incorporados no edifício sistemas solares passivos para aquecimento interior, os ganhos térmicos associados podem ser quantificados através de métodos de cálculo específicos devidamente justificados, como o SLR-P do INETI e o indicado na norma [3]. Na estação de arrefecimento, estes dispositivos devem ter uma protecção solar adequada para não penalizarem o desempenho do edifício nessa estação Ganhos térmicos internos Os ganhos térmicos internos correspondem ao calor libertados pelos ocupantes, electrodomésticos, iluminação e todas as fontes de calor situadas no interior, exceptuando os equipamentos de aquecimento, fogão esquentador e aparelhos a gás ligados a condutas de evacuação.

3 Os ganhos térmicos internos correspondem a um valor médio ao longo das 24 horas do dia e de toda a estação de aquecimento. Para assegurar uma comparação do desempenho térmico de edifícios com o mesmo tipo de utilização são apresentados valores de referência para os ganhos térmicos internos, que se consideram iguais a 4 W/m 2 em edifícios de habitação, variando entre 4 e 7 W/m 2 em edifícios de serviços. Os ganhos térmicos brutos internos são calculados pela equação 3. Q = q.m.a 0,720 (3) i i p Ganhos solares através de envidraçados No cálculo dos ganhos solares brutos foi adoptada a metodologia referida na norma EN ISO [3], em que G sj corresponde à radiação solar incidente em cada orientação durante a estação de aquecimento e A snj corresponde a uma área efectiva do envidraçado, equação 4. Q s = Gsj Asnj (4) j n Esta equação pode ser rescrita utilizando todos os factores considerados, equação 5. Q s = G sul.m X A.Fh.Fo.Ff.Fg.Fw.g (5) em que: G sul energia solar média mensal incidente numa superfície vertical exposta a sul de área unitária; M duração média da estação de aquecimento X factor de orientação do envidraçado para corrigir G sul para as diferentes exposições A área total do vão envidraçado F h factor de sombreamento do horizonte F o factor de sombreamento por elementos horizontais sobrepostos ao envidraçado (palas, varandas, etc F f factor de sombreamento por elementos verticais (palas, outros elementos do edifícios, etc F g fracção envidraçada do vão F w factor de correcção devido à variação das propriedades do envidraçado com o ângulo de incidência da radiação. é o factor solar do vão envidraçado. g Nesta proposta o cálculo dos ganhos solares é efectuado para todas as exposições, mesmo na estação de aquecimento, sendo a energia disponível em cada exposição quantificada com base no coeficiente X [7]. Do quadro 1, verifica-se que as exposições menos favorecidas pela incidência solar apresentam um coeficiente X cerca de 1/3 da exposição Sul, mantendo-se portanto o incentivo e valorização de envidraçados expostos no quadrante sul. Quadro 1 Valor de X N NE/NW E/W SE/SW S Hor 0,27 0,33 0,56 0,84 1,00 0,89 Os factores F da equação 5 correspondem aos factores de obstrução e sombreamento dos obstáculos que restringem a transmissão da radiação solar para o interior. Na figura 1 encontram-se representados os ângulos a partir dos quais são determinados os factores de sombreamento F h, F o e F f. de obstruções externas ao envidraçado Os factores de sombreamento foram determinados para as latitudes de Portugal continental e para e região dos Açores, tendo em conta a duração da estação de aquecimento de 1 de Outubro a 31 de Maio e diferentes ângulos das obstruções (0, 30, 45 e 60º). No caso típico de ausência de palas, para contabilizar o efeito de sombreamento do contorno do vão propõe-se que seja considerado F o.f f =0,9. A adopção destes factores de sombreamento permite que sejam considerados ganhos solares em situações que no anterior versão do regulamento corresponderiam a ganhos solares nulos. A fracção envidraçada corresponde à obstrução criada pelos perfis das janelas à transmissão da radiação solar. Com este parâmetro faz-se alguma distinção entre os diferentes materiais dos caixilhos e consequentemente da dimensão típica dos perfis e tenta-se penalizar as soluções de caixilhos com quadrículas e muitas subdivisões, quadro 2. Quadro 2 Fracção envidraçada Tipo de caixilharia F g Sem quadrícula Com quadrícula Jan. alumínio ou aço 0,70 0,60 Jan. madeira ou PVC 0,65 0,57 Fachada-cortina 0,90 -

4 α - ângulo horizonte α - ângulo pala horizontal c - ângulo pala subdividida Para vidro, o factor F w toma o valor 0,9 na estação de aquecimento independentemente da exposição, pois devido à baixa altura solar o ângulo de incidência nesta estação é relativamente baixo. Na estação de arrefecimento, devido à maior altura solar, o seu valor varia consoante a exposição e se trata de vidro simples ou duplo, tendo valores compreendidos entre 0,75 a 0,95 consoante os casos [8]. O factor solar a considerar na estação de aquecimento corresponde ao factor solar do envidraçado e de eventuais dispositivos de protecção solar que se encontrem actuados de forma permanente na estação de aquecimento. Por exemplo, no caso do sector residencial é frequente a existência de cortinas interiores leves de cor clara que se mantêm actuadas mesmo durante a estação de aquecimento, pelo que, como valor de referência para o sector residencial se considera um factor solar de 0,70 e 0,63 para vãos com vidro incolor simples e duplo, respectivamente. No cálculo das necessidades térmicas nominais de arrefecimento é considerado que todas as protecções solares móveis se encontram actuadas apenas a 70%. Deste modo, nesta estação, no cálculo dos ganhos solares brutos o factor solar é obtido pela soma de 30% do factor solar do envidraçado e 70% do factor solar do vão envidraçado com a protecção solar móvel actuada, de forma a também valorizar o protecção solar conferida apenas pelo envidraçado. A formulação atrás mencionada corresponde ao método detalhado de cálculo, sendo igualmente proposto um método simplificado que abrange β - ângulo de palas verticais Fig. 1 - Ângulo das obstruções provavelmente a maioria das situações, bem como um valor mínimo de referência caso não seja efectuado qualquer cálculo dos factores de obstrução e que corresponde a considerar todos os envidraçados com exposição norte, equação 6. Qs = Gsul.M 0,15.A env. g (6) 2.2 Cálculo dos ganhos térmicos úteis Tendo em conta que nem todos os ganhos térmicos brutos se traduzem num aquecimento útil do ambiente interior, dando origem por vezes apenas a um sobreaquecimento interior, os ganhos térmicos brutos são convertidos em ganhos úteis (Q gu ) através do factor de utilização dos ganhos térmicos (η). Esta factor é função da inércia térmica do edifício e da relação entre os ganhos e as perdas térmicas totais do edifício ou da zona independente, equação 7. Qgu = ηq g (7) No cálculo do factor de utilização dos ganhos térmicos foi efectuada uma simplificação do método de cálculo preconizado na norma [3]. Efectivamente, de acordo com essa norma seria necessário calcular a constante de tempo do edifício ou da zona independente, através da determinação da capacidade calorifica interior e do coeficiente global de perdas térmicas, sendo a constante de tempo e a relação entre ganhos e perdas térmicas utilizada para determinar o factor de utilização de ganhos térmicos. Na proposta, considerou-se que o cálculo da capacidade térmica da zona independente iria

5 acrescer significativamente a complexidade de aplicação do método, tendo-se optado por continuar a utilizar o conceito de classe de inércia térmica introduzido na anterior versão do regulamento, em que se considera que a constante de tempo na estação de aquecimento dos edifícios de classe de inércia térmica leve, média e forte é respectivamente 24, 48 e 96 horas. Deste modo, face à anterior versão do regulamento apenas foram alteradas as curvas do factor de utilização de ganhos térmicos continuando a ser utilizada a classe de inércia térmica e a relação ganhos/perdas térmicas Risco de sobreaquecimento Apesar do incentivo desejável ao aproveitamento da radiação solar para aquecimento do ambiente interior na estação de aquecimento, nesta proposta é apresentada uma flag no sentido de que sejam previstas medidas para protecção solar dos vãos envidraçados, mesmo na estação de aquecimento, quando a relação entre ganhos e perdas térmicas conduz a um factor de utilização de ganhos térmicos inferior a 0,8. Salienta-se que existem vários casos, incluindo edifícios de habitação, com graves problemas de sobreaquecimento interior na estação de aquecimento devido a ganhos solares excessivos. Refere-se que na estação de arrefecimento a limitação do risco de sobreaquecimento interior é efectuada impondo limites ao factor solar dos envidraçados (g max ), tendo sido proposto que esse limite para envidraçados com área superior a 15% da área útil do compartimento que servem seja reduzido de forma proporcional ao incremento da área, equação 8. g < g 0,15 A / A (8) max comp env 2.3 Factor solar de vãos envidraçados O anexo correspondente ao factor solar dos vãos envidraçados foi igualmente revisto tendo em conta os desenvolvimentos na normalização europeia, principalmente para as soluções de protecção solar interior. Atendendo ao contínuo desenvolvimento dos envidraçados, os valores do factor solar apresentados na proposta devem ser considerados como valores de referência [9], devendo em vidros especiais ser solicitados resultados da determinação do factor solar dos envidraçados de acordo com a norma EN 410. No caso de vãos com vidro incolor e dispositivos de protecção solar foram revistos os valores referentes às protecções interiores, sendo que no caso de combinação de várias protecções solares são efectuadas algumas limitações. Efectivamente, por exemplo, num vão com persiana exterior opaca corrida, a protecção solar conferida ao vão é independente das propriedades de transmitância, reflectância e absortância solar do vidro, pois neste caso não existe incidência da radiação solar no vidro. Deste modo, na combinação de várias protecções solares propõe-se que seja efectuado o produto do factor solar dos vários elementos do vão, começando do exterior até se atingir a primeira protecção opaca ou até ao interior. 3 Análise comparativa Para apreciar a adequação do método de cálculo dos ganhos térmicos úteis proposto foi efectuada aplicação do método agora proposto, do RCCTE [1] e de um modelo de simulação dinâmica (ESP-r). Face às diferentes temperaturas internas consideradas nas duas versões do RCCTE, na aplicação do RCCTE [1], foi alterada a temperatura interior de 18ºC para 20ºC, bem como foram determinados os graus-dia de aquecimento na base 17ºC. Estes três métodos foram aplicados a um piso intermédio de um edifício residencial de referência [10], de dimensões: 12 m 10 m 2,7 m, situado em Lisboa. Considerou-se um envidraçado em cada fachada de 3 m 1,5 m (A env =15%A pav ). Os parâmetros utilizados foram U opaco =1,4 W/m 2 K, U env =5,8 W/m 2 K, g =0,85 e 0,6 ren. por hora. No quadro 3 é apresentada a determinação das necessidades térmicas nominais de aquecimento da zona independente referida, considerando inércia térmica forte; sendo visível as diferenças entre o método agora proposto e a anterior versão do RCCTE [1]. Estes cálculos foram igualmente repetidos para uma zona independente pertencendo à classe de inércia térmica leve, alterando a massa térmica útil da zona, quadro 4. Quadro 4 Nec. nominais de aquecimento A Forte Fraca RCCTE Proposta ESP-r

6 Quadro 3 Necessidades nominais de aquecimento - inércia térmica forte Unidades RCCTE Proposta Modelo Dinâmico Coef. Global de perdas (W(ºC) GD GD 17 =935* GD 17 =1411* Perdas Brutas (kwh/ano) Ganhos brutos (kwh/ano) Ganhos internos (kwh/ano) Ganhso solares (kwh/ano) η 0,98 0,94 Ganhos úteis (kwh/ano) Nec. anuais (kwh/ano) * valores obtidos do ano climático de referência de Lisboa Destes resultados pode-se concluir que o método agora proposto permite uma estimativa mais adequada das necessidades térmicas nominais de aquecimento e uma apreciação mais adequada do efeito da inércia térmica interior, dadas as alterações introduzidas no cálculo dos ganhos térmicos úteis. Efectivamente, no edifício de inércia térmica forte existe um afastamento de cerca de 7% entre o resultado previsto com o método agora proposto e o resultado obtido com o modelo de simulação dinâmica, enquanto com o anterior método esse afastamento é de cerca de 18%. Esta maior diferença deve-se ao facto de que os ganhos térmicos internos e solares (nas exposições N, E e W) neste caso conduzem a um incremento da temperatura interior de cerca de 5,5ºC, o qual é bastante superior aos 3ºC assumidos na anterior versão do RCCTE. Salienta-se que nesta comunicação foi apresentada uma síntese das propostas submetidas ao grupo de trabalho de elaboração do RCCTE, as quais no decurso do processo de elaboração final do regulamento ou do processo legislativo podem vir a sofrer alterações. Agradecimentos O autor agradece toda a colaboração e comentários do Grupo de Trabalho de revisão do RCCTE, Dr. Pina dos Santos, Prof. Eduardo Maldonado, Dr. Helder Gonçalves, Prof. Vasco Freitas e Prof. Canha da Piedade. Referências [1] /p/-leis, decretos, etc Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios. Decreto Lei 40/90, de 6 de Fevereiro. Lisboa, INCM, [2] /p/-leis, decretos, etc - Directiva relativa ao rendimento energético dos edifícios. Directiva 2002/91/CE, de 16 de Dezembro de Jornal Oficial, Bruxelas, L1 de 04 de Janeiro de [3] EN ISO Thermal performance of buildings - Calculation of energy use for space heating. CEN/ISO [4] Goulding, J. R.; Lewis, J. O.; Steemers, T. C. - Energy in architecture. The European Passive solar handbook. Londres, Batsford Limited, 1992 [5] Pinto, A. Proposta de método para cálculo dos ganhos térmicos úteis Estação de aquecimento. Lisboa, LNEC, [6] Pinto, A. Proposta de factores de obstrução para cálculo dos ganhos solares na estação de arrefecimento. Lisboa, LNEC, [7] Carvalho, L. C. Exposição solar na estação de aquecimento. Duração da insolação na estação de arrefecimento. Lisboa, LNEC, [8] Pinto, A. Análise das características de comportamento térmico de edifícios com fachadascortina. Aplicação à região de Lisboa. Dissertação de Mestrado, IST, [9] Pinto, A.T.S.; Santos, A. Factor solar de elementos de preenchimento de caixilharia. Lisboa, LNEC, [10] Gonçalves, H.; Ramalho, A. Estudo preparatório para o novo RCCTE - Inverno. Lisboa, INETI, 2003.