Pedro Correia Pereira da Silva

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1 Universidade do Minho Escola de Engenharia Pedro Correia Pereira da Silva Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VIsualDOE Tese de Mestrado em Engenharia Civil Ramo de Processos e Gestão da Construção Trabalho efectuado sob a orientação do Professor Luís Manuel Bragança de Miranda e Lopes Professora Maria Manuela de Oliveira Guedes de Almeida Janeiro de 2006

2 DECLARAÇÃO Nome Pedro Correia Pereira da Silva Endereço electrónico: Telefone: _ / _ Número do Bilhete de Identidade: _ Título dissertação /tese _Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Orientador(es): _Professor Luís Manuel Bragança de Miranda e Lopes, Professora Maria Manuela de Oliveira Guedes de Almeida Ano de conclusão: _2006 Designação do Mestrado ou do Ramo de Conhecimento do Doutoramento: Mestrado em Engenharia Civil É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE; Universidade do Minho, _05/_01/_2006_ Assinatura:

3 AGRADECIMENTOS Mesmo considerando que esta dissertação é um trabalho de investigação individual, a sua realização não teria sido possível sem o apoio de várias pessoas. Como tal, gostaria de reiterar os meus mais sinceros agradecimentos: Ao meu orientador e co-orientadora, Professor Luís Bragança e Professora Manuela Almeida, respectivamente. Ao Arquitecto Paulo Mendonça, pois foi grande impulsionador do Projecto Células de Teste de Soluções não Convencionais, sobre o qual se baseia grande parte desta dissertação. Além de ter ajudado bastante na minha integração no ramo da investigação. Ao Eng.º Ricardo Mateus e Eng.ª Sandra Silva, por estarem sempre disponíveis para me ajudar quando tal foi necessário. À Fundação para a Ciência e a Tecnologia, pois foi devido ao financiamento desta fundação que possibilitou a execução do Projecto Células de Teste de Soluções não Convencionais. À Sara Veiga, pela sua grande ajuda na verificação ortográfica da dissertação. À minha Noiva, pelo seu apoio em todas as alturas, pela sua compreensão e pela sua palavra amiga nos momentos mais necessários. Por último, é com grande contentamento que agradeço aos meus Pais, pois sem eles e sua ajuda incondicional, este trabalho nunca poderia ter sido desenvolvido. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil iii

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5 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE CONSTRUÇÕES NÃO CONVENCIONAIS ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO EM VISUALDOE RESUMO Energia - uma das principais causas da poluição ambiental. De forma a promover a redução do consumo energético, é fundamental a aplicação dos princípios do desenvolvimento sustentável ao sector da construção. Contabiliza-se que existam na União Europeia (dos 15) cerca de 164 milhões de edifícios, responsáveis por 40% da procura de energia final e 1/3 das emissões de gases de efeito de estufa. Edifícios sustentáveis são aqueles que têm o mínimo impacto negativo no ambiente natural e construído. Para a construção de edifícios sustentáveis, são necessárias várias medidas: desde a regulamentação energética, implementação de normas de conforto térmico que considerem formas de o atingir com o menor consumo energético possível, até à consciencialização dos intervenientes da utilização de soluções energeticamente eficientes. Neste contexto, são introduzidas várias soluções a adoptar nos edifícios, de forma a aumentar a sua performance energética. Para a implementação das soluções energeticamente eficientes, é fundamental a utilização de ferramentas de simulação, de forma a prever a solução que vai resultar na melhor performance do edifício. Neste trabalho, utilizaram-se as Células de Teste existentes na Escola de Engenharia, Universidade do Minho, com vista à verificação da performance de soluções energeticamente eficientes, através da simulação em VisualDOE. O modelo utilizado e respectivas simulações foram calibrados utilizando o sistema de aquisição de dados das Células de Teste, de forma a obter a resistência térmica in-situ de alguns elementos da envolvente medição e um ficheiro climático. Através da comparação da construção tradicional utilizada em Portugal, com a construção integrando materiais com menor impacto ambiental e soluções solares passivas, foi demonstrado que a soluções propostas, aplicada nas Células de Teste, é energeticamente mais eficiente. Por outro lado, foi avaliada a metodologia de cálculo do novo Regulamento Térmico Português e verificou-se que esta obtém resultados muito semelhantes à simulação dinâmica na previsão das necessidades de aquecimento / arrefecimento. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil v

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7 THERMAL PERFORMANCE EVALUATION OF NON CONVENTIONAL CONSTRUCTIONS THROUGH SIMULATION IN VISUALDOE ABSTRACT Energy - one of the main causes of the environmental pollution. In order to promote the reduction of the energy consumption, it is fundamental to employ the sustainable development principles in the construction sector. In the European Union of the 15, there are about 164 million buildings, responsible for 40% of the final energy demand and 1/3 of the emissions of greenhouse gases. Sustainable buildings are those that have the minimum negative impact in the natural and constructed environment. Different measures are necessary for the construction of sustainable buildings: since energy regulation, implementation of thermal comfort standards that consider forms of reaching it with the lowest energy consumption and the awareness of the intervening parts to the benefits of the use of energy efficient solutions. In this context some solutions are introduced to implement in buildings with the intension of increasing their energy performance. For the implementation of the energy efficient solutions in buildings, it is fundamental to use simulation tools, in order to foresee the solution that results in the best performance for the building. In this work, one used the Test Cells constructed in the School of Engineering, University of Minho, for testing the performance of energy efficient solutions. The model used and the respective simulations were calibrated using the data acquisition system of the Test Cells to obtain the in-situ thermal resistance of some building envelope components and a weather file. By the comparison between the traditional construction in Portugal, with the construction integrating low environmental impact materials and passive solar solutions, it was demonstrated that the proposed solutions, constructed in the Test Cells, are more energy efficient. On the other hand, the methodology proposed in the new Portuguese Thermal Regulation was evaluated and it became clear that the results obtained by this regulation are very similar to the dynamic simulation, in terms of the heating / cooling energy requirements. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil vii

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9 ÍNDICE ÍNDICE GERAL CAPÍTULO 1 ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO DA DISSERTAÇÃO Enquadramento Objectivos Organização... 4 CAPÍTULO 2 SUSTENTABILIDADE Desenvolvimento sustentável Alterações Climáticas Metas para atingir a sustentabilidade A Energia Caracterização do sector energético Sector dos Edifícios Caracterização do Sector dos Edifícios em Portugal Consumo Energético dos Edifícios CAPÍTULO 3 TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS Conforto Térmico Mecanismos de Regulação Térmica do Corpo Humano Balanço Energético Cálculo da Temperatura de Conforto Propostas para a Actualização das Normas de Conforto Balanço Térmico Mecanismos de Transmissão de Calor Trocas de Calor nos Edifícios Novos métodos para Estimar o Coeficiente U Isolamento Térmico Funções dos Isolantes Térmicos Classificação dos Isolantes Térmicos Espessura Óptima dos Isolantes Térmicos Humidade nos Edicícios Cálculo das Condensações nos Edifícios Pontes Térmicas Avaliação das Pontes Térmicas Inércia Térmica Avaliação da Inércia Térmica Ventilação Ventilação para a Qualidade do Ar Interior Ventilação para o Conforto Térmico Ventilação para a Prevenção de Condensações Mecanismos Impulsionadores da Ventilação Infiltrações A Ventilação Natural Iluminação Princípios da Iluminação Iluminação Natural Vs Artificial Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil ix

10 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Princípios da Iluminação Natural Princípios da Iluminação Artificial Sistema de Iluminação Eficiente CAPÍTULO 4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DOS EDIFÍCIOS Performance dos Edifícios Sistema de Avaliação da Performance de Edifícios Ferramentas de Simulação Precisão das Ferramentas de Simulação Execução de Modelos Dados Climáticos Desafios e Limitações das Ferramentas de Simulação Novas Aplicações das Ferramentas de Simulação Regulamentação Térmica RCCTE RSECE SCE Programas de Incentivos Soluções Energeticamente Eficientes Forma e Orientação do Edifício Sistemas Solares Passivos para Aquecimento Sistemas Passivos para Arrefecimento Considerações sobre algumas Soluções Integração de Soluções Energeticamente Eficientes Análise da Performance de Edifícios Sustentáveis na Europa Reabilitação de Edifícios A Reabilitação em Portugal Ferramentas de Avaliação da Reabilitação CAPÍTULO 5 PREVISÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS RCCTE Estrutura do RCCTE Metodologias de Avaliação da Performance Térmica do RCCTE VISUALDOE Introdução dos Dados do Projecto Execução da Simulação Análise de Resultados CAPÍTULO 6 CASO DE ESTUDO Introdução ao Caso de Estudo Células de Teste Instrumentação das Células de Teste Aplicação do RCCTE ao Caso de Estudo Cálculo das Necessidades de Aquecimento Cálculo das Necessidades de Arrefecimento Aplicação do VisualDoe ao Caso de Estudo Introdução dos Dados das Células de Teste Execução da Simulação das Células de Teste Calibração do Modelo das Células de Teste x Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

11 ÍNDICE CAPÍTULO 7 RESULTADOS E CONCLUSÕES Resultados Pretendidos Análise de Dados Obtidos in-situ Análise de Dados Primavera Análise de Dados Verão Análise de Dados Outono Análise de Dados Inverno Comparação da Performance dos Compartimentos Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do RCCTE Necessidades de Aquecimento Necessidades de Arrefecimento Comparação da Performance dos Compartimentos Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do VisualDOE Análise da Performance da Células de Teste Comparação com os Resultados Obtidos no RCCTE CAPÍTULO 8 CONCLUSÕES E EXPECTATIVAS FUTURAS Conclusões Expectativas Futuras ANEXO I FICHEIRO CLIMÁTICO DO VISUALDOE AI.1. Preparação do Ficheiro Climático AI.1.1. Obtenção dos Parâmetros AI.2. Geração do Ficheiro Climático ANEXO II COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA IN-SITU AII.1. Justificação AII.2. Método Utilizado AII.3. Aplicação às Células de Teste BIBLIOGRAFIA Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil xi

12 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 2 Figura 2.1 Chicago 1995, fotografia de Gary Braasch... 7 Figura 2.2 Efeito das alterações climáticas nos glaciares... 8 Figura 2.3 Consumo de Energia Final em 2002 [tep/pessoa] Figura 2.4 Emissão de CO2 em 2002 [t CO2/pessoa] Figura 2.5 Consumo de Electricidade em 2002 [kwh/pessoa] Figura 2.6 Consumo de Energia Final por Sector em Portugal Figura 2.7 Utilização de Energias Renováveis por Sector em Portugal Figura 2.8 Distribuição dos consumos energéticos no Sector dos edifícios em Portugal Figura 2.9 Habitação sustentável com princípios bioclimáticos CAPÍTULO 3 Figura 3.1 Balanço térmico no corpo humano Figura 3.2 Valor Médio do factor de forma entre uma pessoa sentada e uma superfície horizontal ou vertical quando a pessoa pode ser rodada sobre um eixo vertical Figura 3.3 Zonas de conforto para o Verão e Inverno Figura 3.4 Temperatura resultante óptima de conforto Figura Temperatura de Conforto em edifícios climatizados Figura Temperatura de Conforto em edifícios não-climatizados Figura Mecanismos de transmissão de Calor em edifícios Figura 3.8 Balanço energético no edifício Figura 3.9 Determinação da espessura óptima de isolamento Figura 3.10 Temperatura interior de uma parede com isolamento térmico Figura 3.11 Verificação de condensações superficiais Figura 3.12 Perfil de humidade para uma parede dupla Figura 3.13 Fluxo de calor ao longo de um elemento de construção Figura 3.14 Variação da temperatura superficial de uma parede ao longo de um dia Figura 3.15 Ventilação nos edifícios Figura 3.16 Altura do nível de pressão neutra Figura 3.17 Design para a ventilação natural Figura 3.18 Combinação dos componentes do ambiente visual Figura 3.19 Funcionamento de envidraçados electrocrómicos Figura 3.20 Algumas soluções para a iluminação natural Figura 3.21 Fluxo energético em lâmpadas incandescentes Figura Fluxo energético em lâmpadas de Descarga gasosa Figura 3.23 Área de envidraçado ideal em relação à área da fachada CAPÍTULO 4 Figura 4.1 Simulação do fluxo de calor numa caixilharia de PVC Figura 4.2 Software RUNEOLE para geração de ficheiros climáticos Figura 4.3 implementação do modelo de térmica e ventilação xii Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

13 ÍNDICE Figura 4.4 Zonamento climático no novo RCCTE Figura 4.5 Exemplo do modelo de cálculo do Índice de Eficiência Energética Figura 4.6 Certificado Energético dos Edifícios Figura Ilustração da ferramenta online para obtenção do subsídio Figura 4.8 Sistema solar passivo de ganho directo com armazenamento térmico Figura 4.9 Sistema solar passivo de ganho indirecto Parede de Trombe Figura 4.10 Sistema solar passivo de ganho isolado Termo-sifão Figura 4.11 Arrefecimento radiativo sistema com isolamento de tecto amovível Figura 4.12 Sistema de ventilação de conforto diurna ventilação cruzada Figura 4.13 Arrefecimento evaporativo roof-spaying Figura 4.14 potencial de poupança energética pela aplicação da ventilação em Portugal Figura 4.15 configurações de paredes-asa Figura Tubagem de Luz Horizontal Figura 4.17 Esquema de sistema Caldeira + Armazenador Térmico Figura 4.18 Introdução de soluções energeticamente eficientes Figura 4.19 Eficiência energética de edifícios bioclimáticos Figura 4.20 Eficiência energética da Solução de ganho directo Figura 4.21 causas da deterioração dos edifícios e seu peso CAPÍTULO 5 Figura 5.1 Exemplo do cálculo do coeficiente de transmissão térmica linear (ϕ ) de uma ponte térmica Figura 5.2 Configuração do separador decimal no Windows Figura 5.3 Diagrama de fluxo de informação do VisualDOE Figura 5.4 Definição das unidades a utilizar no VisualDOE Figura 5.5 Definição das componentes da base de dados de vãos envidraçados do VisualDOE Figura 5.6 VisualDOE, Pasta Projecto Figura 5.7 VisualDOE, Pasta Blocos Figura 5.8 VisualDOE, Pasta Compartimentos Figura 5.9 VisualDOE, Pasta Envolvente Figura 5.10 VisualDOE, Pasta Sistemas de Climatização Figura 5.11 VisualDOE, Pasta Zonas Figura 5.12 Ficheiro de input do DOE-2.1E Figura 5.13 VisualDOE Diagnóstico. Pasta Zonas e Sistemas de Climatização Figura 5.14 VisualDOE Gráficos CAPÍTULO 6 Figura 6.1 Localização das Células de Teste na Escola de Engenharia, Universidade do Minho Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil xiii

14 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 6.2 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional Figura 6.3 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional Figura 6.4 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste tipo Passys Figura 6.5 Estação meteorológica Figura 6.6 Planta com a disposição dos sensores de temperatura superficial Figura 6.7 Data-Logger das Células de Teste Figura 6.8 Células de Teste com estufa (foto da esquerda) e sem estufa (foto da direita) Figura 6.9 Folha de cálculo de Excel para obtenção do coeficiente de condutibilidade térmica Figura 6.10 Definição da Envolvente das Células de Teste Figura 6.11 Adição de materiais no Ficheiro de Input do VisualDOE Figura 6.12 Alteração de elementos construtivos no Ficheiro de Input do VisualDOE Figura 6.13 Definição da inércia térmica dos compartimentos Figura 6.14 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 1ª versão da simulação Figura 6.15 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 26ª versão da simulação CAPÍTULO 7 Figura 7.1 Humidade relativa entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada Figura 7.2 Temperatura resultante entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada Figura 7.3 Humidade relativa entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta Figura 7.4 Temperatura resultante entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta Figura 7.5 Humidade relativa entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada Figura 7.6 Temperatura resultante entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada Figura 7.7 Humidade relativa entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta Figura 7.8 Temperatura resultante entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta Figura 7.9 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 10 a 16 de Novembro. 193 Figura 7.10 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 1 a 7 de Janeiro Figura 7.11 Temperatura interior da CTC entre 9 a 14 de Fevereiro Figura 7.12 Temperatura interior da CTP entre 11 a 17 de Outubro Figura 7.13 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 8 a 14 de Setembro Figura 7.14 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 18 a 24 de Junho Figura 7.15 Temperatura interior da CTC entre 21 a 27 de Agosto Figura 7.16 Temperatura interior da CTP entre 6 a 12 de Junho xiv Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

15 ÍNDICE ANEXO I Figura AI.1 Folha de cálculo utilizada para obter os parâmetros necessários para o ficheiro climático Figura AI.2 Organização de parâmetros de forma a gerar um ficheiro climático Figura AI.3 Ultimação do ficheiro climático para o VisualDOE Figura AI.4 Ferramenta de conversão do VisualDOE para o ficheiro climático ANEXO II Figura AII.1 Sensor de fluxo de calor e temperatura superficial interior instalados na Célula de Teste Convencional Figura AII.2 Sensor de temperatura superficial exterior instalado na Célula de Teste não Convencional Figura AII.3 Distribuição dos sensores de fluxo de calor nas Células de Teste Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil xv

16 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ÍNDICE DE TABELAS CAPÍTULO 2 Tabela 2.1 Taxionomia do desenvolvimento sustentável... 9 Tabela 2.2 Consumo de Energia Final em Tabela 2.3 Consumo de Electricidade e emissões de CO2 em Tabela 2.4 Caracterização do Sector Energético em Portugal CAPÍTULO 3 Tabela 3.1 Actividade Metabólica correspondente a várias acções Tabela 3.2 Isolamento típico de algumas combinações de vestuário Tabela 3.3 Classificação de alguns isolamentos térmicos Tabela 3.4 Variação da pressão de vapor ao longo de uma parede Tabela 3.5 Cálculo do amortecimento e atraso térmico para uma parede.. 50 Tabela 3.6 Concentração admissível de alguns poluentes Tabela 3.7 Iluminância recomendada por tarefa visual Tabela 3.8 Iluminância recomendada por zona do edifício Tabela 3.9 Reflectância das superfícies recomendada Tabela 3.10 Razão de luminâncias recomendada Tabela 3.11 FLD recomendado para alguns tipos de espaços Tabela 3.12 Propriedades de algumas fontes luminosas artificiais CAPÍTULO 4 Tabela 4.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício Tabela 4.2 Classificação das formas existentes para determinar bases de dados meteorológicas Tabela 4.3 Limites e forma de obter os consumos energéticos no RSECE Tabela 4.4 Ciclo de vida de alguns componentes dos edifícios CAPÍTULO 5 Tabela 5.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício Tabela 5.2 Ganhos térmicos internos médios por tipo de edifícios Tabela 5.3 Factor de Orientação Tabela 5.4 Energia solar média incidente por zona climática Tabela 5.5 Factor de fracção envidraçada Tabela 5.6 Coeficiente de absorção de superfícies exteriores Tabela 5.7 Temperatura média (Tm) e intensidade da radiação solar (Ir) para a estação de arrefecimento Tabela 5.8 Factor correcção da selectividade angular, para o caso do Verão (Fw) xvi Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

17 ÍNDICE CAPÍTULO 6 Tabela 6.1 Elementos construtivos da CTnC Tabela 6.2 Elementos construtivos da CTP Tabela 6.3 Área útil e pé-direito das Células de Teste Tabela 6.4 Perdas Térmicas das Células de Teste no Inverno Tabela 6.5 Ganhos Térmicos das Células de Teste no Inverno Tabela 6.6 Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão Tabela 6.7 Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão Tabela 6.8 Parâmetros do ficheiro climático para o VisualDOE CAPÍTULO 7 Tabela 7.1 Necessidades de aquecimento para as CT Tabela 7.2 Necessidades de arrefecimento para as CT Tabela 7.3 Necessidades energéticas anuais para as CT Tabela 7.4 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT sem estufa 194 Tabela 7.5 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT com estufa196 Tabela 7.6 Energia consumida pelas Células de Teste, caso base Tabela 7.7 Energia consumida pelas Células de Teste, primeira alternativa. 197 Tabela 7.8 Energia consumida pelas Células de Teste, segunda alternativa Tabela 7.9 Energia total consumida pelas Células de Teste, terceira alternativa Tabela 7.10 Comparativo entre necessidades energéticas das CT obtidas pelo RCCTE e pelo VisualDOE ANEXO I Tabela AI.1 Parâmetros necessários do ficheiro climático para o VisualDOE Tabela AI.2 Conversão de Unidades ANEXO II Tabela AII.1 Intervalos de dados utilizados para o cálculo da Resistência Térmica in-situ Tabela AII.2 Verificação da variação da Resistência térmica por intervalo de dados Tabela AII.3 Teste de variância e convergência para os valores calculados da Resistência Térmica in-situ Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil xvii

18 CAPÍTULO 1 Enquadramento e Motivação da Dissertação DISSERTAÇÃO COM VISTA À OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL Opção de Processos e Gestão da Construção TEMA: ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE CONSTRUÇÕES NÃO CONVENCIONAIS ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO EM VISUALDOE CAPÍTULO 1 ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO DA DISSERTAÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO Um dos grandes desafios que a humanidade tem de ultrapassar é a problemática das alterações climáticas e degradação do meio ambiente. É sabido que estes desafios estão intimamente relacionados com o actual consumo de energia e formas de a obter. Assim, quanto maior o consumo energético, mais rapidamente se levará à delapidação de várias matériasprimas e consequente crise ambiental. No sector da construção, um dos principais desafios é o aumento, por parte de população em geral, das exigências de conforto no interior das habitações, levado a um aumento na potência dos equipamentos de aquecimento e arrefecimento, resultando num aumento do consumo engético. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 1

19 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE De forma a ser possível um desenvolvimento sustentável, este aumento contínuo no consumo energético não se pode manter. Uma das formas de reduzir este consumo energético é a utilização de soluções construtivas projectadas de forma a tirar partido das condições ambientais e, assim, reduzir as necessidades de utilização de sistemas de aquecimento e arrefecimento. Pretende-se, porém, manter as condições de conforto interior. Desta forma é possível reduzir a energia consumida nos edifícios e ajudar a combater os problemas energéticos que cada vez mais nos preocupam. O projecto de um edifício é uma actividade multi-disciplinar, onde todas as disciplinas dos edifícios e partes interessados têm de colaborar, logo desde a fase inicial do desenho esquemático do edifício. Para ser possível assegurar uma performance ambientalmente eficiente do edifício, esta colaboração tem de se manter durante todo o ciclo de vida do edifício projecto, construção, utilização, remodelação, reabilitação e até na demolição. Só assim é provável que sejam tomadas as decisões correctas, sobre todos os pontos de vista, sendo esta afirmação especialmente verdadeira na fase de projecto conceptual do edifício, pois é nesta fase que se tomam as decisões que condicionam a performance final do edifício. Como tal, para que se tomem medidas sustentadas, é necessário prever e avaliar a performance de todas as ideias, segundo vários critérios: conforto, estética, energia, impacto ambiental, economia, etc. Assim a fase de design é uma fase iterativa de geração de ideias, previsão e avaliação. No caso de previsões e avaliações erradas, a performance do edifício será diferente da esperada, ou seja, para minimizar o risco de fracasso da performance do edifício, é necessário tomar sempre decisões informadas. Com o intuito de projectar soluções construtivas energeticamente eficientes, as ferramentas de simulação térmica são instrumentos muito poderosos, possibilitando o teste de várias soluções propostas e a escolha daquela que apresente a maior eficiência energética. Com o aparecimento e crescente exigência da regulamentação térmica dos edifícios, a utilização destas ferramentas de simulação torna-se imprescindível, para garantir que os PÁGINA 2 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

20 CAPÍTULO 1 Enquadramento e Motivação da Dissertação edifícios apresentem performances térmicas melhores ou iguais às requeridas pelos respectivos regulamentos a que estão sujeitos OBJECTIVOS Com este trabalho é proposto o estudo do comportamento térmico de soluções construtivas não convencionais, projectadas com considerações bioclimáticas. As soluções testadas apresentam dois tipos de construção um do tipo leve com a utilização de grandes espessuras de isolamento, outra do tipo pesada com recurso a paredes de terra compactada (Adobe), com grande capacidade de armazenamento térmico. Para estudar a viabilidade destas soluções será utilizado o Programa de simulação térmica VisualDOE, de forma a simular o comportamento térmico destas soluções propostas, comparando as soluções inovativas com as convencionais. Complementarmente, é proposta a utilização das Células de Teste que foram construídas no Campus de Azurém, Universidade do Minho, de forma a proceder à calibração do modelo das simulações efectuadas, assim como à realização de testes in-situ, de forma a aumentar o rigor das simulações efectuadas com o Programa VisualDOE. Também é proposto o estudo das soluções apresentadas através da metodologia de cálculo seguida pelo Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios (nova versão entra em vigor em Janeiro de 2006), de forma a testar a aproximação à situação real que se consegue obter seguindo esta metodologia de verificação do comportamento térmico dos edifícios. Finalmente, serão apresentadas algumas soluções e metodologias com vista ao melhoramento da eficiência energética dos edifícios, apresentando as suas vantagens. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 3

21 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 1.3. ORGANIZAÇÃO A dissertação é iniciada com a apresentação da sua motivação e respectivo enquadramento, apresentando a problemática energética e a contribuição do sector da construção, assim como a referência aos objectivos a atingir com a realização deste trabalho. Seguidamente são definidos de uma forma mais ampla os problemas ambientais da actualidade e a problemática do desenvolvimento sustentável. São também apresentados as várias formas de energia e seus problemas associados. Foi realizada uma caracterização do sector energético, com maior ênfase no sector da construção, em termos Mundiais, Europeus e em Portugal. De forma a introduzir o tema da térmica dos edifícios, foram referidos vários conceitos base, absolutamente necessários para a compreensão deste tema. Por outro lado, também foram referidos conceitos intimamente ligados à performance energética dos edifícios, tais como a ventilação, humidade, inércia térmica, entre outros. O assunto subsequente foi a eficiência energética dos edifícios e formas de a avaliar. Também foram referidas as ferramentas de simulação com vista à melhoria da eficiência. Analisou-se a regulamentação térmica em Portugal e alterações efectuadas nesta. Seguidamente propuseram-se várias soluções a introduzir nos edifícios para promoverem a eficiência energética. No ponto seguinte foram apresentadas duas metodologias para a previsão da performance energética dos edifícios. Em primeiro lugar foi apresentada a metodologia seguida pelo novo Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), que será introduzido em Portugal em Janeiro de Seguidamente, apresentou-se a ferramenta de simulação VisualDOE, onde foram referidos todos os passos necessários para a caracterização da performance dos edifícios e calibração dos modelos a utilizar. PÁGINA 4 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

22 CAPÍTULO 1 Enquadramento e Motivação da Dissertação Posteriormente foi introduzido o caso de estudo realizado neste trabalho a caracterização da performance das Células de Teste, construídas na Universidade do Minho, Escola de Engenharia, as quais apresentam um módulo com a construção tradicional Portuguesa e outro com soluções com vista à eficiência energética. Assim, é apresentado o comportamento in-situ destas e sua previsão segundo as duas metodologias referidas previamente. Por último, são discutidos todos os resultados e conclusões que foram obtidos durante a realização do trabalho apresentado na dissertação. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 5

23 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 2. CAPÍTULO 2 SUSTENTABILIDADE 2.1. DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL O ambiente é o local onde todos nós vivemos, e o desenvolvimento é aquilo que todos nós fazemos na tentativa de melhorar o nosso lote dentro desse meio - Gro Harlem Brundtland Desenvolvimento Sustentável: Sustentabilidade a condição na qual o ecossistema mantém a diversidade e a qualidade e assim a sua capacidade para suportar as pessoas e o resto das formas de vida e o seu potencial para se adaptar e modificar e providenciar um vasto leque de opções e oportunidades para o futuro. Desenvolvimento a condição na qual todos os membros da sociedade podem determinar e atingir as suas necessidades e ter uma vasta gama de opções para atingir o seu potencial (Paris e Kates, 2003). PÁGINA 6 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

24 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade De forma resumida, o desenvolvimento sustentável pode ser definido como a melhoria da qualidade de vida a curto prazo, sem comprometer a qualidade de vida a longo prazo. Pode-se considerar que a sustentabilidade abrange três ramos distintos ramo social, ramo ambiental e ramo económico ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS O conflito de interesses entre o desenvolvimento económico e o ambiente tem conduzido a um estado de urgência global. Tal é despoletado por uma constante procura de benefícios imediatos, sem considerar as consequências a longo prazo. Neste momento, em termos ambientais existem problemas de contaminação e degradação dos ecossistemas, esgotamento de recursos, crescimento descontrolado da população mundial, desequilíbrios insustentáveis, conflitos destrutivos, perda de diversidade biológica e cultural e o aparecimento de mega-cidades com altas concentrações de emissões de poluentes (Figura 2.1). Estas alterações ambientais ultrapassam a habilidade e potencialidade das várias correntes científicas em avaliar e recomendar. As tentativas das instituições políticas e económicas em adaptar o mundo para lidar com tais mudanças não estão a resultar. De forma a manterem-se abertas opções para as gerações vindouras, a geração actual deve começar a trabalhar agora, de forma conjunta, em termos nacionais e internacionais. Figura 2.1 Chicago 1995, fotografia de Gary Braasch Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 7

25 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Em 1983 as Nações Unidas nomearam uma comissão internacional para propor estratégias de desenvolvimento sustentável. Esta comissão, presidida pelo Primeiro-Ministro Norueguês Gro Harlem Brundtland, publicou o seu relatório em 1987, intitulado "Our Common Future" - conhecido como "Brundtland Report". Tal foi um marco que desencadeou uma larga escala de acções, incluindo as Reuniões Mundiais de desenvolvimento sustentável, promovidas pelas Nações Unidas, em 1992 (Conferência do Rio) e 2002 (Conferência de Joanesburgo), a Convenção Internacional das Mudanças Climáticas e os programas mundiais "Agenda 21" (Bruntland, 1987). Este relatório conclui que a continuação da situação actual de consumo energético desmedido pode levar a alterações climáticas muito graves devido ao efeito de estufa, poluição e acidificação do ar devido à queima de combustíveis fósseis ou a riscos de acidentes nucleares (Figura 2.2). Assim, é fundamental para um desenvolvimento sustentável seguir um caminho que leve à redução da utilização de energia. O que não significa a escassez de energia essencial, mas sim o uso produtivo e eficiente da energia primária. Nos próximos 50 anos, as várias nações vão ter a oportunidade de produzir os mesmo níveis de energia, mas utilizando apenas metade da energia primária actualmente consumida. Isto requer mudanças estruturais profundas em termos sócio-económicas e institucionais e é um importante desafio à sociedade global. Figura 2.2 Efeito das alterações climáticas nos glaciares A última Reunião Mundial de desenvolvimento sustentável mostrou que inúmeras organizações internacionais e nacionais, corporações transnacionais PÁGINA 8 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

26 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade e organizações não governamentais possuem como missão o desenvolvimento sustentável, o que se revelou um ponto bastante favorável. Negativamente, foi observado que os resultados ambientais estavam bastante abaixo do esperado. Por outro lado é necessário ultrapassar o facto de ainda não existir nenhum indicador de sustentabilidade que seja universalmente aceite. Apenas com o consenso neste ponto se poderá unir esforços e trabalhar no mesmo sentido, facilitando a definições de objectivos a atingir. Com este objectivo em mente, Parris e Kates definiram uma taxionomia de objectivos que descreve o desenvolvimento sustentável Tabela 2.1 (Parris e Kates, 2003). Tabela 2.1 Taxionomia do desenvolvimento sustentável Sustentabilidade Desenvolvimento Terra Sobrevivência infantil Biodiversidade Esperança de vida Natureza Pessoas Educação Ecossistemas Igualdade Igualdade de oportunidades Serviços do Saúde Suporte de ecossistema Economia vida Recursos Sectores produtivos Ambiente Consumo Culturas Instituições Comunidade Grupos Sociedade Capital social Estados Locais Regiões Fonte: Paris e Kates, METAS PARA ATINGIR A SUSTENTABILIDADE O primeiro passo no combate às alterações climáticas foi dado com a implementação do Protocolo de Quioto, onde são definidos limites para as emissões dos principais Gases de Efeito de Estufa (GEE) reduzir os nível de GEE em 5% até 2012, em comparação com os níveis de Portugal aderiu à Convenção Estrutural de Alterações Climáticas das Nações unidas (UN FCC) Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 9

27 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE em Dezembro de 1993, produzindo dois relatórios sobre as alterações climáticas em Portugal. No segundo relatório, de Novembro de 1997, está previsto que as emissões de CO2 subam 69% entre 1990 a A União Europeia assina o Protocolo de Quioto em Dezembro de 1997, onde se compromete a reduzir as emissões de GEE em 8% até 2008 ou Através de um Acordo de Partilha de Responsabilidades entre os Estados Membros da União Europeia (Decisão n.º 2002/358/CE, de 25 de Abril), com metas diferenciadas para cada Estado Membro, Portugal tem de limitar o aumento da emissão de GEE em 27%; assim, Portugal ratifica o Protocolo de Quioto em Março de Este entra mundialmente em vigor em 16 de Fevereiro de 2005, quando 55 países ratificaram este protocolo, representado 55% do total das emissões de CO2 em Complementarmente, os European Environment and Sustainable Development Advisory Councils recomendaram, em Novembro de 2004, uma redução de 30% até 2020 e de 70% até 2050, da emissão de gases de efeito de estufa, em relação aos níveis de 1990, com o intuito da manutenção da concentração destes gases em 450 ppmv de CO2 equivalentes (Monteiro, 2005). Com vista a quantificar o esforço necessário para Portugal cumprir este Protocolo, é criado o Plano Nacional para as Alterações Climáticas (PNAC), onde são definidas políticas e medidas necessárias nos vários sectores, assim como os instrumentos necessários para o seu cumprimento. Também é proposta uma monitorização contínua das emissões de GEE e uma maleabilidade do PNAC de forma a possibilitar ajustes necessários, conforme a resposta dada nos vários sectores (PNAC, 2001). Um grande advento para o Desenvolvimento sustentável foi a instituição da uma Década por uma Educação para o Desenvolvimento Sustentável , por parte das Nações Unidas. Esta iniciativa propõe promover um consumo responsável os três R s Reduzir, Reutilizar, Reciclar; impulsionar o desenvolvimento técnico científico para a sustentabilidade; promover acções socio-políticas com vista à protecção do meio ambiente e à solidariedade; a promoção do conceito de benefícios globais a longo prazo, em vez dos benefícios individuais a curto prazo (Educadores por la sostinibilidade, 2004). PÁGINA 10 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

28 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade 2.2. A ENERGIA Devido à redução do custo e massificação do uso da energia, desencadeado pela Revolução Industrial, aliado ao aumento dos padrões de vida das populações, o consumo energético teve um aumento exponencial. Como tal, este consumo exacerbado de energia levou à depleção de várias matériasprimas, assim como a uma crise ambiental. Apenas com estes indicadores ambientais deveriam ter sido tomadas medidas drásticas, de forma a travar este aumento do consumo energético. Mas foi com as crises petrolíferas de 1973 e 1979 que foram despoletadas medidas para reduzir o consumo energético e a elevada dependência do petróleo (A Green Vitruvius, 1999). A energia pode ser utilizada na forma de calor ou potencial mecânico e é obtida de diversas formas queima de combustíveis, divisão da estrutura nuclear de átomos, radiação solar, etc. As forma de energia mais utilizadas são (Sabady 1979): Petróleo a combustão do petróleo e seus derivados é a forma de energia mais utilizada, sendo gastos aproximadamente 5 biliões de toneladas de petróleo por ano. Com esta taxa de consumo, as reservas previstas de petróleo são avaliadas em 45 anos, mas à medida que os equipamentos de extracção são mais eficientes e que o petróleo se torna mais valioso, várias jazidas passam a ser economicamente viáveis e consequentemente as reservas de petróleo aumentam; Carvão - a combustão do carvão era a principal fonte energética até Mas este, além da intensa produção de fumo, implica problemas ambientais muito graves. Energia Atómica a obtenção de energia pela divisão da estrutura nuclear de átomos tem um grande potencial de superação das necessidades energéticas, mas ainda existem vários problemas técnicos que necessitam de ser ultrapassados, tais como os resíduos radioactivos e o desmantelamento de reactores nucleares. Como tal, só Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 11

29 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE posteriormente à resolução de todos os problemas técnicos que advêm da utilização da energia nuclear será possível a sua utilização óptima; Energia Solar esta energia provém da radiação solar, em termos de luz visível de ultravioletas e infravermelhos. O fluxo de radiação solar que atinge a atmosfera terrestre é de cerca de 1394 W/m 2. Mas cerca de 30 a 40% desta radiação é absorvida pela atmosfera, chegando a uma superfície ao nível do mar entre kw/m 2 a 1,00 kw/m 2. Assim, a radiação solar tem um grande potencial de aproveitamento, mas ainda é necessário um aumento significativo na eficiência de aproveitamento desta fonte de energia; Outras formas tais como a energia hídrica e o gás natural. Estas formas de energia são relativamente menos poluentes e com menores problemas técnicos do que as referidas anteriormente (excepto a energia solar). Não conseguem, porém, suprir todas as necessidades energéticas existentes. Por exemplo, o Brasil, considerado um país com um dos maiores potenciais de aproveitamento de energia hídrica, apenas consegue suprir 13% das suas necessidades energéticas a partir da energia hídrica (IEA Energy Statistics). Em termos do mercado energético residencial, o petróleo, a electricidade e o gás natural são as fontes energéticas mais importantes, mas a combustão de biomassa (madeira, resíduos, etc) e carvão é uma forma de obtenção de energia que é utilizada por cerca de 3 biliões de pessoas. Em termos de consumo energético, o sector residencial tem um peso de 50% em países desenvolvidos, podendo atingir os 95% em países subdesenvolvidos O combustível mais poluente em termos da emissão de CO2, SO2, NOx e partículas é o carvão, seguido do petróleo. Adicionalmente, a queima de carvão leva à emissão de vários poluentes com malefícios para a saúde, tais como partículas, monóxido de carbono, formalaído e matéria orgânica cancerígena. A exposição a estes poluentes está associada a doenças como cancro do pulmão, infecções respiratórias, entre outras. Então, é essencial promover a utilização de outros combustíveis com queima mais limpa, tanto ambientalmente, como para a saúde dos utilizadores, como o gás natural, devendo ser utilizado em equipamentos para aquecimento, em edifícios PÁGINA 12 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

30 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade residenciais, substituindo outras fontes tais como o carvão e o petróleo (Balaras, droutsa, Dascalaki e Kontoyiannidis, 2005) CARACTERIZAÇÃO DO SECTOR ENERGÉTICO Neste momento, o consumo energético não está distribuído de forma equitativa. As Nações mais desenvolvidas têm consumos per capita muito mais elevados do que a média mundial. Por exemplo a América do Norte, em 2002, teve um consumo de energia final per capita de 4.39 tep/pessoa, enquanto que a média mundial estava nos 1.15 tep/pessoa, como se pode verificar na Tabela 2.2 e na Figura 2.3. Se considerarmos a soma do consumo de energia final na América do Norte e União Europeia, é possível verificar que 40.7% do consumo de energia final está distribuído por 12.9% da população mundial (IEA Energy Statistics). Tabela 2.2 Consumo de energia final em 2002 Consumo de Energia Final [Mtep] Consumo de Energia Final per capita [tep/pessoa] Portugal União Europeia América do Norte Mundial Fonte: IEA Energy Statistics Portugal União Europeia América do Norte Mundial Figura 2.3 Consumo de energia final em 2002 [tep/pessoa] Outros indicadores energéticos importantes são o consumo de electricidade e as emissões de CO2. A partir da Tabela 2.3 e das Figuras 2.3 e 2.4, é possível verificar que as tendências que estes indicadores seguem são semelhantes às Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 13

31 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE do consumo de energia final. No caso do consumo de electricidade, a América do Norte e a União Europeia representam 40.5% do consumo mundial e para as emissões de CO2, 48.2% do total de emissões mundiais. Tabela 2.3 Consumo de electricidade e emissões de CO2 em 2002 Consumo de Electricidade per capita [kwh/pessoa] Emissões de CO2 per capita [t CO2/pessoa] Portugal União Europeia América do Norte Mundial Fonte: IEA Energy Statistics Portugal União Europeia América do Norte Mundial Figura 2.4 Emissão de CO2 em 2002 [ton CO2/pessoa] Portugal União Europeia América do Norte Mundial Figura 2.5 Consumo de electricidade em 2002 [kwh/pessoa] Portugal, em relação à União Europeia, apenas representa 1.7% do total de emissões de CO2, 2% do total de consumo de electricidade e 2% do consumo de energia final. Se comparamos os consumos e emissões de CO2 per capita de Portugal, verifica-se que estão sempre um pouco abaixo da média Europeia, mas acima das médias Mundiais. Em relação ao consumo energético por sector, em Portugal os sectores com maior peso são: PÁGINA 14 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

32 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade transportes (36.4%), indústria (29%), doméstico (16.1%) e serviços (12.3%). De todos estes sectores, apenas a indústria e o doméstico utilizam fontes de energia renováveis. No sector da indústria as fontes renováveis cobrem 9.9% do total utilizado, enquanto que no sector doméstico estas cobrem 37.5% do total, como se pode verificar na Tabela 2.4 e nas Figuras 2.6 e 2.7. Tabela 2.4 Caracterização do sector energético em Portugal SECTOR: CONSUMO TOTAL (%) CONSUMO ELÉCTRICO (%) RENOVÁVEIS (%) PESO DAS RENOVÁVEIS (%) AGRICULTURA E PESCAS INDÚSTRIA CONSTRUÇÃO E OBRAS PÚBLICAS TRANSPORTES SECTOR DOMÉSTICO SERVIÇOS Fonte: DGGE Balanços Energéticos % 2.2% 12.3% 16.1% 29.0% 36.4% SERVIÇOS SECTOR DOMÉSTICO TRANSPORTES CONSTRUÇÃO E OBRAS PÚBLICAS INDÚSTRIA 0% 10% 20% 30% 40% AGRICULTURA E PESCAS Figura 2.6 Consumo de energia final por sector em Portugal 31.8% 68.2% INDÚSTRIA SECTOR DOMÉSTICO Figura 2.7 Utilização de energias renováveis por sector em Portugal Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 15

33 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Concluindo, o consumo energético é dos maiores problemas da actualidade. A humanidade está em luta contra o esgotamento das reservas de combustíveis sólidos, dos quais nos tornámos dependentes, enquanto que, por outro lado, a queima destes combustíveis fósseis causa grandes problemas ambientais (Wilde e van der Voorden, 2004) SECTOR DOS EDIFÍCIOS Nas sociedades tradicionais, a construção de edifícios era baseada nos recursos naturais existentes localmente, no clima e na mão-de-obra local. Assim, as habitações reflectiam, por um lado um profundo conhecimento das condições climáticas, por outro lado a performance dos materiais utilizados na construção. Também existia um claro conhecimento de como os processos de projecto, construção e edifício interagiam entre si, assim como com os utilizadores e o ambiente. Tradicionalmente, não era possível despender de enormes quantidades de energia. As habitações reflectiam esse facto e não era necessário a utilização massiva de energia de forma a proporcionar o conforto interior (Ngowi, 1997). No entanto o desenvolvimento do sector dos edifícios levou à construção de habitações que não eram projectadas com características apropriadas ao clima exterior em que se inseriam, dependendo unicamente dos sistemas de aquecimento / arrefecimento para proporcionar o conforto térmico. Este facto, aliado a um aumento da qualidade de vida e exigência de conforto no interior das habitações, levou à utilização generalizada de equipamentos de aquecimento e arrefecimento e, consequentemente, a um aumento insustentável do consumo engético dos edifícios. Como tal, as estratégias utilizadas no sector da construção necessitam de uma profunda revisão, começando pela construção de edifícios que tirem proveito do meio ambiente, de forma a reduzirem as necessidades de aquecimento / arrefecimento, até à utilização de materiais com baixa energia incorporada. PÁGINA 16 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

34 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade O sector dos edifícios está entre os maiores consumidores energéticos e de matérias-primas. É estimado que, mundialmente, sejam emitidas 6 biliões de toneladas de dióxido de carbono devido à actividade humana. Aproximadamente 37,5% destas emissões são, de uma forma ou de outra, devido ao sector dos edifícios. Na Europa, este sector utiliza cerca de um terço de todas as matérias-primas e energia final, produzindo cerca de metade das emissões de dióxido sulfúrico, 27% das emissões de óxido nitroso, 10 % das emissões de partículas, os quais estão todos relacionados com as alterações climáticas, ou seja, são GEE. A distribuição da emissão de GEE é dividida em 2/3 por parte de edifícios residenciais e 1/3 por parte dos edifícios de serviços. Assim, os edifícios estão entre os grandes poluidores da actualidade. Com a construção de edifícios energeticamente mais eficientes seria possível reduzir em 60% as emissões de carbono, ou seja, em 1,35 biliões de toneladas (Tzikopoulos, Karatza e Paravantis, 2005) CARACTERIZAÇÃO DO SECTOR DOS EDIFÍCIOS EM PORTUGAL Em Portugal, o sector dos edifícios representa 3.3 milhões de fogos (em 2002), com a construção de novos fogos apenas entre 2000 e O peso deste sector no consumo de energia final é de 28.4% (16.1% doméstico, 12.3% serviços), o que corresponde a um consumo de 5.4 Mtep. Como tal, este é um sector com grande peso ao nível energético, sendo fundamental para a redução do consumo energético. Entre 1998 e 2003, a evolução deste sector não foi encorajadora em termos energéticos, pois passámos de consumos na ordem dos 3.5 Mtep em 1998, para os 5.4 Mtep em O peso deste sector no consumo final aumentou de 21% em 1998, para 28.4% em A distribuição do consumo energético no sector dos edifícios em 1998 era de 50% para águas quentes sanitárias e cozinhas, 25% para aquecimento e arrefecimento e 25% para iluminação e equipamentos (Figura 2.8), mas a tendência é para que o aquecimento e arrefecimento aumentem o seu peso, devido ao aumento das exigências de conforto. Todos estes consumos de energia têm potencial para serem reduzidos; as águas quentes sanitárias Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 17

35 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE podem ser obtidas através da aplicação painéis solares; a iluminação e equipamentos podem ser reduzidos com o aumento da eficiência dos equipamentos; o aquecimento e arrefecimento podem ser melhor geridos com a aplicação de normas e princípios que promovam a utilização racional de energia (Eyckmans e Cornillie, 2002). 25% 25% 50% Águas Quentes Sanitárias e Cozinha Aquecimento e Arrefecimento Iluminação e Equipamentos Figura 2.8 Distribuição dos consumos energéticos no Sector dos edifícios em Portugal CONSUMO ENERGÉTICO DOS EDIFÍCIOS O consumo energético total dos edifícios pode ser dividido em: Energia de produção (ou incorporada) energia consumida na aquisição de matérias-primas, no seu processamento, manufactura, transporte, construção, manutenção, alteração, na demolição e reciclagem dos materiais utilizados nos edifícios. Recentemente tem sido dada mais atenção à energia incorporada nos materiais e sua avaliação durante o ciclo de vida do edifício. A energia incorporada contabiliza as emissões de poluentes das águas dos rios e oceanos, assim como dos poluentes do ar que contribuem para o efeito de estufa. A energia incorporada pode ser dividida em directa manufactura e transporte dos materiais e equipamento necessários para a construção; e indirecta processamento, transporte, conversão e fornecimento da energia à construção; Energia induzida energia consumida durante a construção do edifício; Energia de operação energia necessária para manter os níveis de conforto requeridos; PÁGINA 18 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

36 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade Energia cinzenta perdas por conversão de energia (rendimento), durante o transporte de materiais, construção do edifício, aquecimento, etc. A energia incorporada recorrente nos edifícios representa a energia não renovável consumida para manter, reparar, restaurar, reabilitar e substituir materiais, componentes ou sistemas durante o ciclo de vida do edifício. À medida que aumenta a eficiência energética dos edifícios, a razão energia incorporada / energia consumida durante a fase de utilização do edifício vai aumentando. Por exemplo, num edifício energeticamente eficiente a energia incorporada pode representar 15% da energia consumida em toda a vida útil do edifício (A Green Vitruvius, 1999). De entre todos os consumos energéticos e de matérias-primas referidos, o que mais se destaca é o consumo energético durante a fase de utilização. Como tal, apenas com a inclusão de medidas de eficiência energética no projecto, ao nível da envolvente, compartimentação, materiais, aproveitamento da energia solar e das condições ambientais exteriores, será possível uma drástica redução dos consumos energéticos para aquecimento, arrefecimento e iluminação. A aplicação de princípios bioclimáticos em edifícios é um factor essencial para a redução do consumo energético e das emissões de Carbono no sector dos edifícios. A Arquitectura bioclimática é aquela que, durante o projecto do edifício, tem em conta as condições climáticas a que estará sujeito o edifício e a utilização de sistemas solares passivos, de forma a aumentar a eficiência energética. Como tal, e sabendo que um edifício bioclimático pode consumir 10 vezes menos energia em aquecimento do que um edifício convencional, este tipo de arquitectura revela-se uma boa opção para o aumento da eficiência energética dos edifícios. O custo adicional de um edifício bioclimático ronda os 3-5% para edifícios novos. Nos casos de reabilitações, este custo pode subir um pouco, mas será amortizado em poucos anos, pelo que, mesmo em termos económicos, os edifícios bioclimáticos são compensadores. A arquitectura bioclimática (Figura 2.9) Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 19

37 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE indica que os seguintes factores sejam tomados em consideração no projecto dos edifícios: Topografia inclinação, orientação, vista; Movimento do sol altitude solar e azimute; Condições climáticas vento, radiação solar, temperatura, humidade; Condições ambientais iluminação natural, sombreamento do edifício; Peso, volume e altura do edifício; Normas locais de arquitectura; Disponibilidade local dos materiais de construção. Figura 2.9 Habitação sustentável com princípios bioclimáticos: Moradias Oásis A Arquitectura Vernacular também é uma corrente arquitectónica sustentável, cuja grande força consiste na mistura de várias opções de design, com o intuito de proporcionar uma harmonia natural entre o clima, a arquitectura e as pessoas. Com o progressivo aumento dos problemas ambientais ao nível local, regional e global, é necessário um maior empenho na construção de edifícios sustentáveis. Neste contexto, a sustentabilidade embarca uma vasta gama de elementos: local de implantação do edifício, urbanística, consumo energético, poluição ambiental, ciclo de vida e impacto ambiental dos materiais, condições ambientais interiores, conforto humano e produtividade. Assim, PÁGINA 20 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

38 CAPÍTULO 2 Sustentabilidade edifícios sustentáveis podem ser definidos como edifícios que têm o mínimo impacto negativo no ambiente construído e natural. O relacionamento e interacções entre a maior parte destes elementos da sustentabilidade estão incluídos no projecto de um edifício com preocupações energéticas. O design do edifício terá de ser uma integração, cuidadosamente pensada, da arquitectura e da engenharia eléctrica, mecânica e estrutural. Além dos conceitos tradicionais de estética do edifício orientação, proporções, textura, sombras e luz a equipa de projecto tem de se centrar também nos custos a longo termo custo ambientais, económicos e humanos. A selecção cuidadosa dos materiais de construção é a forma mais fácil de integração dos princípios de sustentabilidade nos edifícios. Os materiais naturais têm, geralmente, menor energia incorporada e menor toxicidade que os materiais sintéticos. Requerem menor processamento e têm também menor impacto ambiental. Assim, quando materiais naturais de baixa energia incorporada são inseridos nos sistemas dos edifícios, esses sistemas tornam-se sustentáveis (Goodhew e Griffiths, 2005). Um indicador que cada vez mais terá de ser levado em consideração durante o projecto de um edifício, além da performance energética, é a performance ambiental dos edifícios. Esta requer a análise de uma variedade de critérios relacionados com o efeito do edifício no meio ambiente. Um dos impactos mais significativos é a energia. Inicialmente apenas era considerado o impacto energético ao nível da utilização do edifício, mas este não é o único impacto em termos ambientais. Também é necessário considerar o impacto da produção dos materiais utilizados nos edifícios, o impacto da construção do edifício e suas técnicas associadas e o impacto da demolição do edifício. A análise do impacto ambiental do consumo energético dos edifícios pode ser dividida em vários efeitos: Uso de fontes energéticas não renováveis; Potencial de aquecimento global; Potencial de acidificação; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 21

39 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Potencial de reacções fotoquímicas com o Ozono. Assim, estes impactos ambientais dependem do tipo de energia que é utilizado no edifício, assim como dos resíduos provocados pela utilização da energia. Nos últimos anos tem sido desenvolvido um vasto leque de medidas de forma a melhorar a eficiência energética dos edifícios, aumentar o uso de energias renováveis e utilizar as energias fósseis da forma mais eficiente possível. A maior parte dessas medidas toma a forma de componentes energeticamente eficientes dos edifícios, como por exemplo bombas de calor, estufas, sistemas de envidraçados avançados, isolamento térmico, etc. Os esforços da União Europeia para um desenvolvimento sustentável, promovendo melhores projectos, materiais, construção e equipamento mais eficiente, estão a produzir resultados. Observando o aumento do numero de habitações entre 1990 e % e comparando com o aumento da procura de energia final 0.7% é possível afirmar que o sector da construção está energeticamente mais eficiente. PÁGINA 22 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

40 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios 3. CAPÍTULO 3 TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS 3.1. CONFORTO TÉRMICO O conforto térmico é reconhecido como não sendo um conceito exacto, que não implica uma temperatura exacta. O conforto térmico depende de factores quantificáveis temperatura do ar, velocidade do ar, humidade, etc. e de factores não quantificáveis estado mental, hábitos, educação, etc. Assim, as preferências de conforto das pessoas variam bastante consoante a sua aclimatização particular ao ambiente local (Khedari et al, 2000). Com o intuito de obter um ambiente interior dos edifícios termicamente confortável para os seus ocupantes, as normas sobre conforto térmico são uma ferramenta essencial. Inicialmente estas normas tinham como principal preocupação definir as condições de conforto térmico, sem ter em conta os consumos energéticos necessários para atingir o conforto. Mas devido aos problemas ambientais que são cada vez mais evidentes e à necessidade do Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 23

41 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE desenvolvimento sustentável, estas normas de conforto térmico têm de considerar formas de o atingir com o menor consumo energético possível (Nicol e Humphreys, 2002). Por outro lado, o aumento da utilização de equipamentos para arrefecimento do espaço na Europa é preocupante, em termos ambientais, devido ao grande aumento do consumo energético, contribuindo para o excesso das emissões de CO2 e o consequente aquecimento global. Assim, até a energia vir de fontes renováveis, a climatização de espaços deverá ser reservada para as necessidades especiais de climas extremos, e não para melhorar os efeitos de um fraco design climático dos edifícios. A solução é um bom design climático, utilizando dados realísticos de conforto térmico (Humphreys e Nicol, 2002) MECANISMOS DE REGULAÇÃO TÉRMICA DO CORPO HUMANO O balanço térmico no corpo humano é função da energia produzida no interior do corpo e das perdas térmicas para o exterior. A energia produzida no interior do corpo é chamada de Actividade Metabólica e depende do tipo de actividade efectuada (Tabela 3.1). A unidade utilizada para caracterizar a actividade metabólica é o met, que corresponde ao calor libertado por uma pessoa em descanso 100 W. Considerando que, em média, as pessoas têm uma superfície de pele de 1.8 m 2, 1 met corresponde a 58.2 W/m 2 (Dias de Castro, 2000). Tabela 3.1 Actividade metabólica correspondente a várias acções ACTIVIDADE Met Dormir 0.7 Sentado 1 Andar (1.2 m/s) 2.6 Escrever 1.1 Conduzir 1.2 Cozinhar 1.6 a 2 Dançar 2.4 a 4.4 Desportos 3.6 a 8.6 Fonte: ASHRAE 1997 PÁGINA 24 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

42 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios O corpo humano possui mecanismos para controlar estas trocas de calor: o hipotálamo é o centro de controlo que, a partir da temperatura interior, regula o caudal sanguíneo e a intensidade da transpiração, de forma a igualar a energia produzida no interior do corpo e as perdas térmicas para o exterior. Mas este mecanismo apenas funciona para um dado limite de condições exteriores, ou seja, se uma pessoa estiver exposta a temperatura muito baixas ou muito altas, por um grande período de tempo, estes mecanismos não possuem capacidade de resposta (ASHRAE, 1997). Um factor muito importante para o conforto térmico é a roupa utilizada por cada pessoa. A unidade utilizada para caracterizar o efeito de isolamento proporcionado pela roupa, no conforto térmico, é o clo. Assim, 1 clo é o equivalente a m 2.ºC/W. A Tabela 3.2 apresenta o valor de clo para algumas combinações de vestuário (Krieder e Rabl, 1994). Tabela 3.2 Isolamento típico de algumas combinações de vestuário Vestuário Calções, camisa de manga curta 0.36 Calças, camisa de manga curta 0.57 Calças, camisa de manga comprida 0.61 Igual ao anterior mais casaco 0.96 Calças, camisa de manga comprida, T-Shirt, camisola 1.01 Igual ao anterior mais casaco 1.3 Saia até ao tornozelo, camisa de manga curta, meias, sandálias 0.54 Igual ao anterior mais casaco 1.1 Fonte: McCullough and Jones, 1984 clo Se a temperatura interior de um ser humano for inferior a 28 ºC, este pode ter sérios problemas cardíacos e de arritmia; acima de 46 ºC, pode ter danos cerebrais irreversíveis. Assim, é imperativo um bom controlo térmico. O objectivo é proporcionar condições exteriores tais, que seja reduzida ao mínimo a necessidade do corpo utilizar os seus mecanismos de regulação térmica Conforto Térmico (ASHRAE, 1997). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 25

43 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE BALANÇO ENERGÉTICO A taxa de produção de energia do corpo humano (Actividade metabólica) é a soma das taxas de produção de calor (Q & ) e de trabalho (W & ), como se pode verificar na equação 3.1: Equação 3.1 Q + W = M com: A C M - Actividade metabólica (met); Ac Área superficial do corpo humana (m 2 ). A produção de calor é igual ao fluxo de calor instantâneo com o exterior, os seus modos de transferência de calor mais importantes são apresentados na equação 3.2: Equação & 3.2 = Q& + Q& + Q& + Q& + Q& com: Q con rad evap res, sens res, lat Q & con - perdas de calor por condução pela pele (W); Q & rad - perdas de calor por radiação pela pele (W); Q & evap - perdas de calor por evaporação pela pele (W); & - perdas de calor sensíveis devido à respiração (W); Q res, sens & - perdas de calor latentes devido à respiração (W); Q res, lat Exemplificando, o balanço térmico do corpo humano pode ser observado na Figura 3.1: PÁGINA 26 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

44 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios & Q res, lat & Q res, sens Q & rad Q & con Q & evap Figura 3.1 Balanço térmico no corpo humano CÁLCULO DA TEMPERATURA DE CONFORTO Para o cálculo da temperatura de conforto, os métodos com maior aceitação são os referidos na norma ASHRAE 55 de 1992 e na ISO Para a norma ASHRAE, são apresentados vários gráficos, a partir dos quais e com a utilização de uma Temperatura Resultante (Tr), calculada a partir da equação 3.3, se obtém uma temperatura de conforto para o Verão ou Inverno: Equação 3.3 α rt S + α cta Tr = com: α + α r c α r - Coeficiente de radiação = 4.9 W/m2 ªC; α c - Coeficiente de convecção = 2.9 W/m2 ªC; Ta Temperatura ambiente (ºC). O parâmetro T S pode ser calculado com recurso à equação 3.4 e refere-se à temperatura média radiante, ou seja, é a temperatura que uma pessoa sente devido à temperatura radiante das várias superfícies a que está exposto. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 27

45 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Equação 3.4 T 4 S = N i= 1 T 4 i F P i com: Ti Temperatura da superfície i (ºC); F - Factor de forma entre a pessoa e a superfície i. P i O factor de forma pode ser obtido através da utilização dos gráficos executados por Fanger e dependem da posição e orientação das pessoas. Um exemplo desses gráficos pode ser observado na figura 3.2 (Fanger, 1982). Figura 3.2 Valor médio do factor de forma entre uma pessoa sentada e uma superfície horizontal ou vertical quando a pessoa pode ser rodada sobre um eixo vertical. Fonte: Fanger, 1982 Por último, antes de se considerar os gráficos de conforto é necessário fazer uma correcção à Temperatura Resultante, de forma a contabilizar a actividade Metabólica e o isolamento de vestuário da pessoa, como se pode verificar na equação 3.5 (Kreider et al, 1994). Equação 3.5 T = T (1.0 + clo) ( met 1.2) r _ corr r Com esta Temperatura Resultante é possível consultar o gráfico da Figura 3.3 de forma a conhecer a zona de conforto para o Verão e Inverno. PÁGINA 28 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

46 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Figura 3.3 Zonas de conforto para o Verão e Inverno. Fonte: ASHRAE, 1997 O modelo PMV (Predicted Mean Vote voto previsto médio) apresentado na norma internacional ISO 7730 é utilizado desde Este é baseado num modelo estático de transferência de calor, calibrado a partir de um grande número de pessoas numa câmara climática. A escala vai de -3 a 3: -3 muito frio, -2 frio, -1 levemente frio, 0 neutro, +1 levemente quente, +2 quente, +3 muito quente. A partir desta norma, para estimar a temperatura óptima de conforto, é utilizado o gráfico da Figura 3.4, com a temperatura óptima para condições específicas de Actividade Metabólica e Isolamento do vestuário. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 29

47 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Resistência térmica da roupa [m²k/w] Temperatura operativa óptima Actividade [met] Actividade [W/m²] Roupa [clo] Figura 3.4 Temperatura resultante óptima de conforto. Adaptado de: Roulet; Fanger et al, 1980; Fanger et al, PROPOSTAS PARA A ACTUALIZAÇÃO DAS NORMAS DE CONFORTO Nos últimos anos têm sido efectuados vários estudos de forma a actualizar as normas de conforto térmico existentes. Vários autores verificaram que as normas ISO e ASHRAE não se aplicam a todos os locais e propuseram algumas soluções para melhorar estas normas. Assim, num estudo efectuado por Dear, chegou-se a valores de temperatura de conforto interior entre os ºC para locais com temperaturas médias exteriores de 25 ºC e entre ºC em locais com temperaturas médias exteriores de 33 ºC, com uma aceitação de 90% (Dear et al, 2002). Outro estudo, realizado na Tailândia, mostrou que em escritórios equipados com ar-condicionado eram aceitáveis temperaturas de 28 ºC e para escritórios com ventilação natural, a temperatura poderia chegar aos 31 ºC (Glicksman et al, 2001). PÁGINA 30 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

48 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Por último, um estudo com o intuito de reduzir as cargas térmicas de arrefecimento registou votos de sensação térmica em alunos de liceu, utilizando arrefecimento por unidades ventiladoras. Este estudo concluiu que a temperatura neutra era de 30.6 ºC com velocidade do ar de 1.0 m/s e humidade relativa entre 50 a 60%, mas que poderia chegar aos 33.5 ºC se a humidade fosse entre 50 80% com velocidade do ar de 2.0 m/s (Khedari et al, 2000). Na biologia, a teoria da adaptação define que um ambiente óptimo não é constante, antes deverá providenciar uma variação óptima a uma frequência óptima. A estabilidade aparente de um organismo apenas existe porque esta é modificável. A ligeira instabilidade é a condição necessária para a verdadeira estabilidade do organismo. Como tal, os edifícios podem oferecer diferentes tipos de condições térmicas aceitáveis, devido à capacidade de se adaptarem dentro de variedade óptima de condições. Foi introduzido o conceito de erro adaptativo de forma a explicar a diferença entre a estreita zona de conforto prevista e a larga zona de conforto medida por observações. Como resposta a esta teoria, surge uma nova tendência, com aplicação nas normas de conforto térmico o modelo adaptativo. Este conceito explica as discrepâncias existentes entre os índices de conforto térmico racionais (física e fisiologia da transferência de calor) e os valores obtidos in-situ PMV: votos previstos médios de conforto (Kindangen, 1997). O princípio adaptativo pode ser caracterizado como: se ocorre uma mudança tal que provoque desconforto, as pessoas reagem de forma que tende a restaurar o seu conforto Nicol e Humphreys, Os modelos de conforto adaptativo são pensados para situações onde as pessoas têm a possibilidade de se adaptar ao ambiente (ajustar as roupas, abrir janelas para aumento da velocidade do ar), e assim, têm zonas de conforto térmico substancialmente maiores do que as normas racionais, possibilitando o dimensionamento de equipamentos de aquecimento / arrefecimento com menor potência, originando menores consumos Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 31

49 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE energéticos. No modelo adaptativo, é proposto uma equação de regressão que relaciona a temperatura interior de conforto com a temperatura média mensal exterior. Uma das aplicações destas normas adaptativas é a possibilidade de preverem a temperatura interior de conforto através da temperatura exterior, sendo muito útil para avaliar se soluções passivas de aquecimento / arrefecimento são viáveis para o edifício. A partir de um estudo em 160 edifícios, tentou verificar-se o estado térmico dos ocupantes e compará-lo com as previsões dos modelos PMV e adaptativo, como mostram as Figuras 3.5 e 3.6 (Dear et al, 2002). Figura Temperatura de conforto em edifícios climatizados. Fonte: Dear et al, 2002 Figura Temperatura de conforto em edifícios não-climatizados. Fonte: Dear et al, 2002 PÁGINA 32 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

50 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Depois deste estudo, foi proposta uma revisão à norma ASHRAE 55: em edifícios não ventilados é aconselhada a utilização do modelo adaptativo, em vez do PMV, para obter a temperatura interior de conforto, onde se relaciona o conforto térmico com a temperatura exterior (Dear et al, 2002). O modelo PMV apresenta resultados muito bons para edifícios com AVAC, porém, para edifícios sem AVAC prevê-se uma sensação térmica mais quente que os ocupantes realmente sentem. O modelo adaptativo prevê bastante bem a sensação térmica em edifícios não-climatizados em climas quentes, mesmo não considerando a actividade e vestuário, possuindo erros grandes noutros tipos de climas. Assim, a precisão do modelo adaptativo deve-se apenas às expectativas dos ocupantes, ou seja, o facto de o edifício não ser climatizado e a habituação a altas temperaturas, levam os ocupantes a ter baixas expectativas quanto ao comportamento térmico do edifício. Como tal, é possível corrigir o modelo PMV, a partir de um factor de expectativa (e), que pode variar entre 0.5 a 1 para edifícios climatizados e=1. Para edifícios nãoclimatizados este factor depende da duração da estação quente, assim como da existência de edifícios climatizados na vizinhança e seu número. Outro factor que contribuía para a diferença entre a sensação térmica calculada pelo modelo PMV e a realmente sentida, era a taxa metabólica. Esta era estimada através de questionários onde se identificavam as actividades, mas as pessoas, ao sentirem-se quentes, tendem a abrandarem a sua actividade e consequentemente reduzirem a taxa metabólica. Assim para os períodos quentes terá de se reduzir a taxa metabólica prevista no modelo PMV. Com a implementação destas duas correcções no modelo PMV, este consegue prever com bastante precisão a sensação térmica em edifícios não climatizados (Fanger et al, 2002). Outra proposta de alteração do modelo PMV é um ajuste ao índice PMV a partir de um estudo estatístico entre as diferenças do modelo PMV e as medidas in-situ. Assim, através da equação 3.6, é calculado o factor de ajuste (DPMV-ASHRAE) e seguidamente aplica-se a equação 3.7 para obter o valor do PMV ajustado (Humphreys et al, 2002). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 33

51 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Equação 3.6 D = T ( HR%) ( met clo) T PMV ASHRAE 2 4 r a Com: HR% Humidade Relativa (%). Equação 3.7 PMV = 0.8( PMV ASHRAE ) Ajustado D PMV Observando todos os pontos de vista referidos anteriormente, é possível concluir que a escolha do melhor método de previsão do conforto térmico ainda não é consensual, ou seja, existem defensores da aplicação do modelo adaptativo mais extensamente, enquanto que outros acham preferível a revisão do modelo PMV BALANÇO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS Os edifícios filtram a passagem de luz, ar, ruído e energia, entre os ambientes interior e exterior, ou seja, providenciam o contraste entre o exterior e o interior. A Envolvente (exterior) do edifício é toda a construção, tomada como um todo ou uma parte, que separa o interior de um edifício do exterior. Os elementos da envolvente são as porções da envolvente do edifício que têm uma construção consistente, tais como uma parede, cobertura, pavimento, janela ou porta. Assim, para o cálculo do balanço térmico dos edifícios é necessário contabilizar as trocas de calor da envolvente do edifício (ASTM, 1999) MECANISMOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR O calor pode ser definido como energia em trânsito devido à diferença de temperatura. A transmissão de calor pode ocorrer segundo três mecanismos, como se pode observar na Figura 3.7: PÁGINA 34 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

52 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Condução; Convecção; Radiação. Figura Mecanismos de transmissão de calor em edifícios Condução este mecanismo de transmissão de calor tem base na transferência de energia cinética a nível molecular em sólidos, líquidos ou gases. Nos líquidos e sólidos não condutores eléctricos, a condução térmica dá-se devido às oscilações longitudinais da estrutura. Em metais a condução é semelhante à condução eléctrica, ou seja, devido ao movimento de electrões livres; e nos gases é divido à colisão elástica das moléculas. O fluxo de calor é sempre na direcção da redução da temperatura, como deduzido da segunda lei da Termodinâmica. Nos edifícios, o processo de transmissão de calor mais significativo é a condução e depende da condutividade térmica dos materiais - λ [W/m.ºC] e da espessura do elemento da envolvente - e [m], como se pode verificar na Lei de Fourier para a condução - equação 3.8. Equação 3.8 dt Q & = (λ. A). com: de A área do elemento (m 2 ); dt/de gradiente de temperatura (ºC/m). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 35

53 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Convecção este mecanismo de transmissão de calor tem base na transferência de energia por movimento dos fluidos, líquidos ou gasosos, e condução molecular. Assim, este mecanismo ocorre na transmissão de calor de um sólido para o ar adjacente, ou entre duas superfícies a diferentes temperaturas. A transmissão de calor por convecção aumenta na medida que aumenta a velocidade do fluxo do fluído. A convecção pode ser Natural gerada internamente devido à não-homogenidade da densidade por diferenças de temperatura ou Forçada quando o fluxo é produzido por fontes externas. Radiação este mecanismo de transmissão de calor tem base na transferência de energia por ondas electromagnéticas. Para ocorrer este tipo de transmissão de calor, apenas é necessária a existência de duas superfícies a diferentes temperaturas, em que, devido à vibração das moléculas superficiais é emitida energia radiante através do espaço até atingir uma superfície opaca, a qual absorve parte desta energia e reflecte a restante (ISQ, 2000) TROCAS DE CALOR NOS EDIFÍCIOS A contabilização das trocas de calor (Q) pelos elementos da envolvente dos edifícios pode ser executada da seguinte forma (equações 3.9): Equação 3.9 Q Cond = n i= 1 U. A.( T T ) com: i i i e U i - Coeficiente de condutibilidade térmica do elemento i (W/m 2.ºC); A i - Área do elemento i (m 2 ); T i - Temperatura interior (ºC); T e - Temperatura exterior (m 2 ); De forma a obter o Coeficiente de condutibilidade térmica (U) de cada elemento da envolvente, serão contabilizadas a parcela por convecção (hi e PÁGINA 36 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

54 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios he) e a parcela por condução, a partir da resistência térmica (R = e/ λ ), como é possível observar na equação 3.10: Equação 3.10 n 1 1 ei 1 = + U h + e i= 1 λi hi com: 1/hi Resistência térmica superficial interior (m 2.ºC/W); 1/he - Resistência térmica superficial exterior (m 2.ºC/W). No caso do elemento em estudo pertencer à envolvente interior do edifício, mas separando o espaço útil de um espaço não útil (diferenças térmicas relativamente elevadas), já se podem verificar trocas de calor importantes para o balanço térmico dos edifícios. Assim, a contabilização das trocas de calor (Q) dum elemento da envolvente interior tem o procedimento semelhante ao enunciado anteriormente, mas com a particularidade de ao calcular o coeficiente U não se contabilizar o 1/he mas sim duas vezes o 1/hi. O balanço energético de um edifício tem de ser dividido em dois períodos Verão e Inverno, pois o sentido dos fluxos de calor vai ser diferente em cada um destes períodos. Para o Verão, o parâmetro a calcular são as necessidades de arrefecimento ( Q Nec _ Arref ), enquanto que para o Inverno são as necessidades de aquecimento ( Q _ ). Assim o balanço energético pode Nec ser representado pela equação 3.11 Verão e a equação 3.12 Inverno. Aquec Equação 3.11 Q = Q Q Q Nec _ Arref Cond + Vent + GI + Q Rad _ Sol Equação 3.12 Q = Q + Q Q Q com: Nec _ Aquec Cond Vent GI Rad _ Sol Q Vent - Trocas de calor devido à ventilação do espaço: Q _ - Ganhos térmicos devido à radiação solar: Rad Sol Q GI - Ganhos térmicos devido aos equipamentos interiores. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 37

55 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Um método de cálculo das três parcelas referidas anteriormente Q ; Q ; Q ), será apresentado no Capítulo 5. Na Figura 3.9 apresenta-se ( Vent GI Rad _ Sol um desenho esquemático exemplificando o balanço energético num edifício para o período de Verão e de Inverno. Verão Q Rad _ Sol Q Cond Q Cond Q GI Q GI Q Vent Q GI Q Cond INVERNO Q Rad _ Sol Q Cond Q Cond Q GI Q GI Q Vent Q GI Q Cond Figura 3.8 Balanço energético no edifício NOVOS MÉTODOS PARA ESTIMAR O COEFICIENTE U Com o aumento da necessidade da eficiência energética dos edifícios, o nível de conhecimento dos parâmetros que condicionam a sua performance também precisa de aumentar. O coeficiente global de perdas de calor e a capacidade calorífica são dois parâmetros fundamentais para o PÁGINA 38 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

56 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios conhecimento da performance térmica da envolvente dos edifícios. Como tal Lundin sugere um método dinâmico para estimar o coeficiente de condutibilidade térmica (U) a partir da equação 3.13 (Lundin et al, 2005): Equação 3.13 dθ U tot θ = Pcalor + α Pdom + Ctot com: dt θ diferença entre a temperatura exterior e a interior; Pcalor calor fornecido ao sistema de aquecimento; α factor de ganho; Pdom carga de calor doméstica; Ctot capacidade calorífica total ISOLAMENTO TÉRMICO O isolamento térmico tem como função principal o aumento da resistência térmica da envolvente do edifício, de forma a reduzir as trocas de calor entre o edifício e o exterior, reduzindo as necessidades de aquecimento e arrefecimento, assim como o risco de condensações (ver ponto 3.4). São considerados isolantes térmicos materiais com λ W/m.ºC e R > 0.5 m 2.ºC/W, de forma a garantir que a espessura do material é suficiente para reduzir o fluxo de calor (Freitas, 2002) FUNÇÕES DOS ISOLANTES TÉRMICOS Ao retardar o fluxo de calor pela envolvente do edifício, os isolamentos térmicos possuem várias funções (ASHRAE, 1997): Conservam a energia devida à redução das perdas de calor; Controlam a temperatura superficial de equipamentos e estruturas; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 39

57 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Ajudam a controlar a temperatura de um processo químico, equipamentos e estruturas; Previnem as condensações em superfícies com a temperatura inferior ao ponto de orvalho; Reduzem as flutuações térmicas dos espaços, aumentando o conforto térmico CLASSIFICAÇÃO DOS ISOLANTES TÉRMICOS Os isolantes térmicos podem ser classificados quanto a: natureza mineral, vegetal ou sintética; estrutura fibrosa, celular ou mista; modo de Produção pré-fabricados ou formados in-situ ; apresentação rígidos, semi-rígidos ou granulares. Na Tabela 3.3 são apresentados vários isolantes térmicos com a respectiva classificação (Freitas, 2000). Tabela 3.3 Classificação de alguns isolamentos térmicos Produto Natureza Estrutura Produção Condutibilidade térmica (W/m.ºC) Lã de rocha Mineral Fibrosa Placas; Mantas 0.04 Lã de vidro Mineral Fibrosa Placas; Mantas 0.04 Vidro celular Mineral Celular Placas 0.05 Aglomerado negro de cortiça Vegetal Celular Placas; Granel Fibra de coco Vegetal Celular Placas; Mantas Poliestireno expandido Sintético Celular Placas 0.04 Poliestireno expandido Sintético Celular Placas extrudido Poliuretano Sintético Celular in-situ 0.03 Fonte: Freitas, ESPESSURA ÓPTIMA DOS ISOLANTES TÉRMICOS Durante o projecto é necessário decidir qual a espessura de isolamento térmico a aplicar na envolvente. Para tal, é fundamental executar um estudo económico de custo/benefício da aplicação do isolamento. A espessura PÁGINA 40 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

58 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios óptima do isolamento pode ser encontrada comparando a diminuição das necessidades de aquecimento / arrefecimento com o aumento de custo devido ao isolamento. A ASHRAE apresenta um método de escolha da espessura óptima de isolamento representado pelas equações 3.14 e 3.15, onde se encontra o valor máximo das poupanças económicas (Pec). Equação 3.14 Naqi, j ( Caq ) ( FAEaq ) Nari, j ( Car ) ( FAEar ) P = + com: ec η aq η ar Naq i, j, Nar i, j - Variação das necessidades de aquecimento / arrefecimento; C aq, C ar - Custo da energia para aquecimento / arrefecimento; FAE aq, FAE ar - Factor de actualização da energia para aquecimento / arrefecimento; η aq, η ar - Rendimento dos equipamentos de aquecimento / arrefecimento. Equação T FAE = T T J AAE AAE 1+ T T AAE J CV com: T AAE - Taxa de aumento anual do custo da energia; T J - Taxa de juros; CV - Ciclo de vida do isolamento. Com a aplicação destas expressões é possível identificar a espessura óptima do isolamento a aplicar, como se mostra na Figura 3.9 (ASHRAE, 1997). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 41

59 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 3.9 Determinação da espessura óptima de isolamento. Fonte: ASHRAE (1997) 3.4. HUMIDADE NOS EDICÍCIOS A humidade nos edifícios é muito problemática, originando a redução da eficiência energética, gastos em manutenção, problemas de durabilidade e redução do conforto. A degradação dos edifícios devido à acção da humidade é o factor com maior peso na limitação da vida útil dos edifícios. A humidade nos edifícios pode ter origem em (ASHRAE, 1997): humidade de construção é a humidade que se manifesta numa fase imediatamente posterior à construção, ou seja, durante a maturação do betão. Humidade do terreno é a humidade proveniente do solo, que atinge a habitação devido à ascensão capilar, através das fundações ou paredes. Humidade de precipitação infiltração de água provocada pela chuva, devido a problemas de estaqueadade da envolvente. Muitos vezes este problema agrava-se devido à acção combinada da chuva e do vento. PÁGINA 42 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

60 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Humidade de condensação humidade devido à saturação do vapor de água. Pode ocorrer no interior ou na superfície dos paramentos. Humidade devida a fenómenos de higroscopicidade diversos materiais de construção têm na sua constituição sais solúveis em água, sendo estes materiais higroscópicos, isto é, com a capacidade de absorverem a humidade do ar, dissolvendo os sais e devolvendo ao ambiente, em função da variação da pressão parcial e temperatura, podendo voltar a cristalizar os sais, com significativo aumento de volume. Humidade devida a causas fortuitas como o nome indica, a humidade aparece devido a causas acidentais, tais como inundações, algerozes entupidos, tubos de água e de esgoto partidos, etc. De entre todas as causas de humidade referidas anteriormente, a mais frequente nos edifícios é a humidade de condensação. De forma a evitar a ocorrência das condensações é necessário ventilar diminui os níveis de humidade interiores e isolar aumento da temperatura das paredes e consequentemente diminuição do grau de saturação (Figura 3.10) Figura 3.10 Temperatura interior de uma parede com isolamento térmico. Fonte: Freitas, 2002 Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 43

61 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE CÁLCULO DAS CONDENSAÇÕES NOS EDIFÍCIOS As condensações ocorrem quase exclusivamente no Inverno, pelo que apenas é necessário verificar se ocorrem neste período. Nas superfícies exteriores da envolvente não ocorrem condensações neste período, pois estas superfícies estão a temperaturas mais elevadas que o ar em contacto, como tal possuem um menor grau de saturação. Assim, é necessário verificar a ocorrência de condensações superficiais interiores (1) e as condensações interiores (2). Em ambos os casos as variáveis necessárias para o cálculo são: a medição da humidade relativa (HR) interior e exterior, a temperatura interior e exterior. Seguidamente é necessário calcular a temperatura superficial interior e exterior T x, a partir da equação 3.16: Equação 3.16 RTot Tx = Ti ( Ti Te ) com: R x R Tot - Resistência térmica total do elemento da envolvente (m 2.ºC/W); R x - Resistência térmica do elemento da envolvente, no ponto onde é necessário calcular a temperatura (m 2.ºC/W). 1. Condensações superficiais Para verificar a ocorrência de condensações superficiais, apenas é necessário verificar se a temperatura superficial é superior ou inferior ao Ponto de Orvalho temperatura à qual, para uma dada humidade, o ar atinge o ponto de saturação. Assim, se a temperatura superficial for superior ao ponto de orvalho, não ocorrem condensações. Na Figura 3.11 é apresentado um exemplo de verificação de condensação superficial pelo método gráfico: Definindo as condições a que está o ar interior Ti = 20 ºC; HRi = 70% É possível verificar que apenas ocorrem condensações se a temperatura superficial for inferior ao ponto de Orvalho, ou seja, inferior a 14 ºC. PÁGINA 44 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

62 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Figura 3.11 Verificação de condensações superficiais. Fonte: ASHRAE, Condensações interiores Para este caso, é necessário calcular a temperatura ao longo do elemento da envolvente, ou seja, em cada material constituinte do elemento, através da equação Seguidamente, é necessário calcular a pressão de saturação (Ps) e a pressão do vapor ao longo de elemento, a partir das equações 3.17 e No caso da pressão de vapor ultrapassar a pressão de saturação, ocorre a condensação. A partir da Tabela 3.4 e da Figura 3.12 é apresentado um perfil de humidade numa parede dupla de tijolo. Equação Ps = K T + K + K T + K T + K T + K ln( ) com: 1 / T K1 = ; K2 = : K3 = e-2; K4 = e-5; K5 = e-8; K6 = Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 45

63 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Equação 3.18 PMaterial Pe = P Pe Parede Parede Material com: P Material - variação da pressão de vapor até ao material; P Parede - Pressão do vapor interior pressão de vapor exterior; Pe Material - Permeância ao vapor de água até ao material; Pe Parede - Permeância ao vapor de água interior Permeância ao vapor de água exterior. Figura 3.12 Perfil de humidade para uma parede dupla Tabela 3.4 Variação da pressão de vapor ao longo de uma parede Ponto Temperatura (ºC) Ps (Pa) Pvapor (Pa) Tsup_i Tp Tp Tp Tp Tp Tsup_e PÁGINA 46 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

64 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios 3.5. PONTES TÉRMICAS O fluxo de calor, em termos gerais, dá-se perpendicularmente à superfície, através da condução térmica e do diferencial de temperatura. Mas considerando que o fluxo de calor segue a trajectória com menor dissipação de trabalho, ou seja que o fluxo de calor procura o caminho mais curto, se o comprimento é medido em resistência térmica - Figura 3.13 (Ecobuild, 2001). Figura 3.13 Fluxo de calor ao longo de um elemento de construção Devido às pontes térmicas, o fluxo de calor pode ter uma componente lateral muito elevada, podendo atingir os 50%, reduzindo assim, de forma significativa, a resistência térmica da envolvente do edifício. Adicionalmente, as pontes térmicas reduzem a temperatura superficial dos elementos, o que pode aumentar o risco de condensações e crescimento de bolor, além de originarem a heterogeneidade de temperaturas superficiais. As pontes térmicas podem ocorrer devido a (Ben-Nakhi, 2003): Alterações nas propriedades térmicas da envolvente do edifício na direcção lateral interface entre as vigas de betão e as paredes de alvenaria; Alterações de espessura da construção um envidraçado inserido numa parede; Diferença entre a área superficial interior e exterior cantos; Geração de calor dentro de um elemento de construção do edifício tubagem de água quente. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 47

65 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE O tratamento das pontes térmicas é executado essencialmente a partir do reforço da resistência térmica da zona da ponte térmica. Assim, este tratamento pode ser local aplicação de isolamento apenas na zona da ponte térmica ou geral aplicação de materiais, isolantes ou não, para aumentar a resistência global da envolvente AVALIAÇÃO DAS PONTES TÉRMICAS A avaliação das pontes térmicas é, normalmente, executada de duas formas: consulta de manuais com exemplos de pontes térmicas ou através de ferramentas de simulação. O problema é que os manuais podem não representar a ponte térmica em estudo e as ferramentas de simulação, além de muito demoradas, podem não possibilitar a modelação de fronteiras múltiplas heterogéneas dinâmicas. Actualmente, este problema tem vindo a ser ultrapassado devido à implementação de catálogos e manuais computorizados on-line, com mais de 3000 representações de pontes térmicas, a implementação de procedimentos nas ferramentas de simulação, que possibilitam a modelação da condução a 3D (através de métodos numéricos, como o método dos elementos finitos). Ben-Nakhi testou a implementação de um módulo para estimação das pontes térmicas, numa ferramenta de simulação, através da condução dinâmica em 3D, comparando os resultados obtidos com este módulo, com os resultados analíticos, concluindo que os resultados são muito próximos. Assim, estes módulos são indispensáveis nas ferramentas de simulação térmica dos edifícios, de forma a aumentar cada vez mais a precisão dos resultados obtidos com estas ferramentas. Neste caso, devido ao peso que as pontes térmicas podem ter nos edifícios, este módulo poderá ser muito importante. Mas devido à consciencialização dos problemas resultantes das pontes térmicas, estas estão, cada vez mais, a ser evitadas e tratadas. As pontes térmicas mais comuns vêm muitas vezes referenciadas nos regulamentos térmicos dos diversos países de forma a serem sistematicamente corrigidas, logo na fase inicial do projecto (Ben-Nakhi, 2003). PÁGINA 48 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

66 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios 3.6. INÉRCIA TÉRMICA A inércia térmica dos edifícios é um parâmetro muito importante para o balanço térmico do edifício. A inércia térmica é o fenómeno pelo qual o edifício amortece as acções térmicas exteriores e interiores do edifício, proporcionando uma menor variação da temperatura interior. Tendo em conta que as acções térmicas exteriores (temperatura exterior, radiação solar) variam periodicamente, o efeito da inércia térmica é essencial para o conforto térmico. A inércia térmica é função da massa térmica do edifício, ou seja, do calor armazenado e pode ser representado pela equação 3.19 (Ecobuild, 2001): Equação 3.19 q = m ce T com: m massa do elemento (Kg); Ce calor específico (KJ/Kg.ºC) Como tal, um corpo maior, de maior massa e/ou com maior calor específico, acumula ou liberta a mesma quantidade de energia com menor variação de temperatura. Para a maioria dos materiais dos edifícios o calor específico está situado entre 0.85 a 0.95 KJ/Kg.ºC, o que explica o facto de apenas se mencionar a massa. Uma importante excepção é a madeira, cujo calor específico está situado entre 1.7 a 3.0 KJ/Kg.ºC AVALIAÇÃO DA INÉRCIA TÉRMICA O cálculo do efeito da inércia térmica no comportamento térmico do edifício é bastante complexo, pois é necessário a utilização de sistemas de equações dinâmicos, de forma a conseguir contabilizar todos os fluxos energéticos ao longo do tempo. Mas com recurso a algumas simplificações, Mitjá (1986) apresenta uma forma de avaliar a inércia térmica, decompondo a sua acção em dois princípios o Atraso térmico ( Φ ) e o Amortecimento térmico ( µ ). Estes Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 49

67 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE parâmetros podem ser calculados a partir das equações 3.20 a 3.22 (Krieder e Rabl, 1994): Equação 3.20 x T Φ = 2 n α π i com: x espessura da parede (m); T período temporal (h); n número de elementos; α - difusibilidade térmica (m 2 /h). Equação 3.21 λ α = com: d C e d peso específico do elemento (Kg/m3); λ - condutibilidade térmica (Kcal/h.m.ºC); C e - calor específico (Kcal/Kg.ºC). µ π x T α n = e i A partir deste método, é apresentado um exemplo do cálculo da temperatura superficial da envolvente interior de um compartimento, patente na Tabela 3.5 e na Figura Tabela 3.5 Cálculo do amortecimento e atraso térmico para uma parede Parede Área (m2) X (m) T (h) α tot (m 2 /h) µ Φ (h) Materiais Ce d λ (Kcal/KgºC) (Kg/m3) (Kcal/h.mºC) α (m 2 /h) Reboco Tijolo furado (15cm) = PÁGINA 50 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

68 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Figura 3.14 Variação da temperatura superficial de uma parede ao longo de um dia 3.7. VENTILAÇÃO As trocas de ar entre o edifício e o exterior podem ser divididas em dois mecanismos Ventilação e Infiltração. A ventilação é a entrada de ar intencional, entre o edifício e o exterior, através de janelas, grelhas, etc., enquanto que a infiltração é a entrada de ar fortuito, através de fendas ou aberturas não intencionais. A ventilação pode ser dividida em Natural ou Forçada. A ventilação natural ocorre através da produção de diferenças de pressão naturais ou artificiais, e a ventilação forçada, também chamada de ventilação mecânica, ocorre através da introdução de ventiladores e condutas de admissão e exaustão (ASHRAE, 1997). A ventilação dos edifícios é, cada vez mais, um factor com enorme importância na performance energética das habitações. Principalmente com a mudança das técnicas de construção, em que, para reduzir as perdas de calor, foi aumentada a estaqueidade da envolvente dos edifícios, reduzindo assim a taxa de infiltração de ar nas habitações. Como tal, ao projectar uma habitação, é sempre necessário prever uma dada taxa de ventilação, com vista à supressão de três tipos de necessidades: 1. qualidade do ar interior; 2. conforto térmico; 3. prevenção de riscos de condensação. A utilização da Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 51

69 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ventilação para atingir os três objectivos referidos é esquematizada na Figura W & P 1 P & CO2 2 Q & Evaporação Figura 3.15 Ventilação nos edifícios P & CO2 = Produção de CO2; Q & Evaporação = Perdas de calor devido ao arrefecimento evaporativo; W & = Produção de vapor. P VENTILAÇÃO PARA A QUALIDADE DO AR INTERIOR A qualidade do ar interior é um parâmetro essencial tanto para a saúde dos ocupantes, assim como para o seu bem-estar e produtividade. Assim, a ventilação tem de ser projectada em função das fontes de poluentes interiores e exteriores, fornecimento de ar puro, remoção das cargas poluentes, actividade dos ocupantes e operação e manutenção apropriada do sistema de ventilação. Uma qualidade do ar interior pode ser definida como ar livre de poluentes que causam irritação, desconforto ou doenças nos ocupantes. Para o fornecimento de ar puro existe uma grande variedade de métodos, mas o mais comum é a utilização de filtros, sendo estes muito eficazes para poeiras. Resumindo, é necessário remover o ar interior viciado, substituindo-o por ar fresco exterior. De forma a calcular a taxa de ventilação necessária para a qualidade do ar interior, é necessário conhecer os níveis de poluente admissíveis (Tabela 3.6) e a taxa de produção do poluente em questão. Seguidamente, utiliza-se a equação Esta equação admite que o ar interior está perfeitamente PÁGINA 52 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

70 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios misturado, o que é uma aproximação bastante aceitável para a maioria dos edifícios (Givoni, 1998). Tabela 3.6 Concentração admissível de alguns poluentes Poluente Concentração Exposição Dióxido de Carbono 1.8 g/m 3 Contínua Compostos Orgânicos Voláteis totais 600 µg/m 3 Contínua Ozono 200 µg/m 3 Contínua Partículas Suspensas no Ar (PM10) 150 µg/m 3 Contínua Formaldeído 100 µg/m 3 Contínua Pesticida C10H6Cl8 5 µg/m 3 Contínua Fonte: ASHRAE, 1989; RSECE, Equação 3.22 C i P& = C 0 + V& com: Ci concentração interior do poluente admissível (µg/m 3 ); C0 concentração exterior do poluente (µg/m 3 ); P & taxa de produção do poluente (µg/s); V & taxa de ventilação (m 3 /s). Normalmente este método de cálculo para previsão da taxa de ventilação necessária apenas é utilizado uma vez, ou seja, identificando o poluente dominante e calculando a taxa de ventilação necessária para o manter abaixo da concentração admissível, os restantes poluentes também vão estar em concentrações abaixo das admissíveis (Allard, 1998) VENTILAÇÃO PARA O CONFORTO TÉRMICO A utilização da ventilação para promover um maior conforto térmico é adequada para o Verão. Podendo ser aproveitada de duas formas: 1. aumento da velocidade do ar resulta num aumento das perdas de calor por convecção pelo corpo humano e aumentam a taxa de evaporação ao Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 53

71 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE nível da pele; 2. arrefecimento da massa estrutural do edifício durante a noite, aproveitando a massa estrutural arrefecida durante o dia de forma a diminuir a temperatura interior (este técnica é chamada ventilação nocturna e será abordada mais extensivamente no Capítulo 4). De forma a calcular a taxa de ventilação necessária para promover o conforto térmico, é utilizada a Equação 3.23, onde a partir da temperatura interior de conforto (Ti) e da carga térmica interior, é executado um balanço energético entre a carga térmica que entra no edifício e a carga térmica que sai, calculando assim a taxa de ventilação necessária para remover uma certa quantidade de calor (Q) do edifícios. Equação 3.23 V& = ρ C P Q ( T T ) t e com: ρ - densidade do ar (Kg/m 3 ); CP calor específico do ar (J/Kg.ºC) VENTILAÇÃO PARA A PREVENÇÃO DE CONDENSAÇÕES Em compartimentos que possuem fontes de produção de vapor muito intensas, é necessário a utilização da ventilação, de forma a reduzir os níveis de humidade presente e assim prevenir a ocorrência de condensações. Por exemplo, em cozinhas, as taxas de produção de vapor costumam ser muito altas, sendo necessário ao projectar este compartimento calcular a taxa de ventilação necessária para não ocorrerem condensações. Para tal é possível aplicar a equação 3.24 e encontrar a taxa de ventilação necessária para remover a produção de vapor interior. Equação 3.24 W& P V& = ρ ρ wi we com: PÁGINA 54 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

72 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios ρ we - densidade do vapor de ar exterior (Kg/m 3 ); ρ wi - densidade do vapor de ar interior (Kg/m 3 ); W & P - taxa de produção de vapor (Kg/h) MECANISMOS IMPULSIONADORES DA VENTILAÇÃO A ventilação dos edifícios pode ser obtida através de três mecanismos distintos: 1. diferenciais de pressão devido ao vento; 2. diferenciais de densidade do ar devido à diferença de temperatura entre o exterior e o interior; 3. sistemas de ventilação mecânicos. Para o caso 1 e 2, o fluxo de ar é obtido através de aberturas na envolvente dos edifícios, normalmente obtidos com a abertura das janelas. Ultimamente, é normal a introdução de orifícios de ventilação (grelhas de ventilação) acoplados aos envidraçados. Assim, para calcular o caudal que atravessa as aberturas dos edifícios é utilizada a equação 3.25 e 3.26 (ASHRAE, 1997). Equação 3.25 V & = CD A 2 P / ρ com: C D coeficiente de descarga; A área da aberturas (m 2 ); P - variação da pressão (Pa). Equação 3.26 CD = Ti Te com: O diferencial de pressão ( P ) pode ser obtido utilizando as expressões 3.27 ou 3.28 consoante sejam devido ao vento ou à temperatura, respectivamente. Equação 3.27 P = P + C e V 2 2 P P _ V ρ i com: Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 55

73 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE P e pressão estática exterior (Pa); P i pressão interior (Pa); C P_V coeficiente de pressão superficial devido ao vento; V velocidade do vento (m/s). O valor do C P_V, para várias situações, pode ser obtido através da consulta do Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes (RSA, 1983). Equação 3.28 ( ) ( T T H H ) i e P = ρ i g NPN com: T g constante gravitacional (9.81 m/s 2 ); H altura da abertura (m); H NPN altura do nível de pressão neutra (m); T média entre a temperatura interior e exterior (ºK). O nível de pressão neutra é a altura do edifício, onde o nível de pressão exterior é igual ao nível de pressão interior. Este pode ser aproximado a metade do pé direito da habitação, como se pode observar na Figura Figura 3.16 Altura do nível de pressão neutra PÁGINA 56 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

74 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Mas na maior parte das situações o diferencial de pressão pode ser atribuído tanto ao efeito do vento, como ao diferencial de temperaturas. Assim, o caudal de ar devido à combinação destes dois efeitos é obtido através da equação Equação V & = & + & com: V V V T V & V - caudal de ar devido ao vento (m 3 /s); V & V - caudal de ar devido à diferença de temperatura (m 3 /s). Em relação à ventilação mecânica, a obtenção da diferença de pressão apenas pode ser calculada se for conhecida a localização de todas as aberturas na envolvente e a relação entre a diferença de pressão e o fluxo de ar em cada abertura. Mas a taxa de ventilação é, naturalmente, controlada pelo sistema mecânico, pelo que apenas é necessário calcular as necessidades de ventilação, de forma a programar o sistema mecânico de ventilação para fornecer a taxa de ventilação calculada. Os sistemas de ventilação mecânicos podem funcionar de três formas: por insuflação, por extracção ou misto. Mas o sistema por insuflação deve ser evitado, pois o ar de extracção sai do edifício por exfiltração, não sendo possível a recuperação do calor (A Green Vitruvius, 1999) INFILTRAÇÕES Para suprimir as necessidades de ventilação, em alguns casos, as infiltrações pela envolvente do edifício podem ser suficientes. Mas a determinação analítica da taxa de renovações de ar por infiltração é dependente de factores muito variáveis, tais como o clima, a operação dos equipamentos e as actividades dos ocupantes. Assim, em fase de projecto, uma das únicas formas de ter uma ideia da taxa de infiltração é a utilização de valores tabelados do caudal de ar de escape através de vários componentes padronizados, como caixilho de porta calafetado, lareira com porta de vidro, etc (Exemplo no livro ASHRAE, 1997, Tabela 3, Página 28.18). Calculando o Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 57

75 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE somatório do caudal de ar que atravessa cada componente, é possível prever a taxa de infiltração do compartimento. Por outro lado, se a avaliação da taxa de infiltração for em edifícios existentes, a forma mais fiável é a utilização de métodos experimentais, tais como: Porta-Ventiladora este método consiste na pressurização e despressurização mecânica, a partir de uma porta ajustável com um ventilador acoplado, de um compartimento e respectiva medição do fluxo de ar do ventilador a uma dada pressão. Existem dois tipos de testes neste método, o mais simples método de um ponto é utilizado quando o único propósito é a quantificação da taxa de infiltração, enquanto que o outro método de dois pontos quando o propósito é quantificar a taxa de infiltração além de permitir estimar o coeficiente e o expoente do fluxo de ar do edifícios. Para mais informações sobre este método pode-se consultar a ASTM Standard E Gases Traçadores neste método, é insuflado um gás no compartimento (que não exista antes da insuflação) e seguidamente é medida a sua concentração, de forma a determinar a taxa de infiltração. Para a medição das taxas de troca de ar, podem ser utilizadas três técnicas: decaimento ou aumento da concentração; concentração constante; e injecção constante. Para mais informações sobre este método pode-se consultar a ASTM Standard E A VENTILAÇÃO NATURAL A ventilação natural é um método muito eficiente para providenciar as necessidades de ventilação dos edifícios, pois não apresenta consumos de energia, ao contrário da ventilação mecânica. Como tal, a ventilação natural é uma forma de aumentar a eficiência energética dos edifícios. Por outro lado, estudos sugerem que o síndrome dos edifícios doentes é observado, quase exclusivamente, em edifícios com ventilação mecânica (Baker, 1993). Relativamente à ventilação para a qualidade do ar e prevenção das condensações, as taxas de renovação necessárias são facilmente atingidas pela ventilação natural, sendo apenas necessário precaver os problemas do PÁGINA 58 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

76 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios ambiente exterior, como o ruído e poluição. Para o caso das necessidades para o conforto térmico, as taxas de ventilação necessárias podem ser difíceis de obter, mas como estão bem identificadas, é possível conhecer em quais a ventilação natural é suficiente. Mas mesmo que a ventilação natural não seja suficiente para atingir o conforto térmico, esta pode sempre reduzir as cargas térmicas a retirar pelo sistema de arrefecimento mecânico, aumentando também a eficiência energética. A ventilação natural é maioritariamente induzida devido ao efeito do vento. Por exemplo, para um caso corrente onde existe uma diferença de 5 ºC entre a temperatura interior e exterior, com uma velocidade do vento de 2 m/s, a taxa de renovação horária por efeito de vento seria 5.4 vezes superior à induzida pela diferença de temperaturas (Givoni, 1998). Como tal, devido à grande aleatoriedade do vento, a ventilação natural pode ter uma eficiência reduzida, comparativamente à ventilação mecânica. Mas, com um estudo adequado das características locais do vento, é possível optimizar a ventilação natural, de forma a obter uma solução muito vantajosa. Para tal, é imprescindível estudar o clima, numa escala global, regional, local e ao nível do microclima. Adicionalmente, no ambiente urbano é necessário atentar à diminuição da velocidade do vento até 30%, para o caso de ventos fortes ou moderados, comparativamente ao ambiente rural, devido à grande rugosidade e número de obstáculos. Outro efeito do ambiente urbano é o aumento da turbulência, até 100%, assim como, para ventos fortes, a criação de fluxos de ar com rotação ciclónica (Allard, 1998). Concluindo, a ventilação natural pode ser uma solução bastante eficiente, mas apenas com um adequado estudo de todas as condicionantes clima, dimensão e orientação das aberturas, forma do edifício, necessidades, etc. é possível utilizar a ventilação natural como uma solução óptima, ou seja, é necessário desde o projecto do edifício considerar as especificidades da inclusão da ventilação natural, de forma a exponenciar o efeito deste, como é possível observar na Figura Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 59

77 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 3.17 Design para a ventilação natural. Fonte: Habitação Simpsons-Lee, desenho de Craines 3.8. ILUMINAÇÃO A função da iluminação é tornar o ambiente visual visível e adequado, ou seja, permitir a execução das tarefas visuais necessárias, além de proporcionar conforto visual. Tal é conseguido com a Luz parte visível do espectro electromagnético, com comprimento de onda entre os 380 a 780 nm. A luz pode ser fornecida de forma natural luz solar de forma artificial lâmpadas ou através da combinação de ambas. O ambiente visual pode ser dividido em duas componentes: Componente passiva usualmente pode ser definido como o compartimento composto pelas várias superfícies e mobiliário, que reflectem a luz com maior ou menor intensidade; Componente activa a luz que torna o compartimento visível. Assim, o ambiente visual é a multiplicação destas duas componentes, como é apresentado na Figura Como tal, é necessário atentar que para um dado ambiente, pode haver um ambiente visual diferente, dependendo da luz incidente. Uma boa iluminação, só por si, não proporciona um ambiente visual PÁGINA 60 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

78 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios agradável. A fraca iluminação pode causar a tensão ocular, fadiga, dor de cabeça e irritabilidade. Como tal, a avaliação da iluminação é muito importante e deve ser executada de forma quantitativa e qualitativa. Os aspectos quantitativos são relacionados com a determinação da quantidade de iluminação necessária para executar as tarefas requeridas. Os aspectos qualitativos estão relacionados com o conforto visual e podem ser avaliados em termos de encadeamento e atenção / distracção dos ocupantes (Santos, 2004). Figura 3.18 Combinação dos componentes do ambiente visual. Fonte: Majoros, 1997 A iluminação é um assunto com grande peso no bem-estar diário das pessoas pois que o ambiente visual está intimamente ligado à vivência humana. A visão engloba cerca de 90% de toda a informação sensorial dos seres humanos. Qualquer actividade está, em maior ou menor parte, ligada à visão. Como tal, é essencial um bom projecto de iluminação para qualquer edifício PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO A quantidade de radiação visível emitida por uma fonte de radiação é definida como fluxo luminoso e a sua unidade é o Lúmens (lm). Este é definido em termos da potência radiativa pela sensibilidade espectral do olho humano. Assim, para definir a eficiência de uma fonte luminosa, deve dividir-se o fluxo luminoso pela potência necessária. O limite teórico desta eficiência é de 683 lm/w, o que corresponde à conversão de uma luz monocromática com o comprimento de onda de 555 nm. Um dos parâmetros mais importantes é a Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 61

79 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE iluminação ou iluminância da superfície a ser iluminada, que se exprime em lux e corresponde a lm/m 2. As iluminâncias recomendadas podem ser divididas por tarefas ou por zonas do edifício e são apresentadas na Tabela 3.7 e 3.8, respectivamente. Tabela 3.7 Iluminância recomendada por tarefa visual Iluminância Recomendada (lux) Tarefas com poucas exigências visuais Exemplos de actividades máquinas de pouca precisão; Tarefas com exigências visuais normais salas de aula; gabinetes Tarefas com exigências visuais Especiais salas de desenho; inspecção de materiais Tarefas com exigências visuais de elevada exactidão fabrico de relógios; indústria electrónica; Tarefas com exigências visuais de excepcional exactidão micro-electrónica; Tarefas com exigências visuais muito especiais Fonte: Santos, cirurgias; Tabela 3.8 Iluminância recomendada por zona do edifício Zona do Edifício Iluminância recomendada (lux) Zonas de passagem Salas de jantar 100 Salas de estar; Cozinhas 200 Zonas de estudo Fonte: Santos, 2000 Como já referido, a combinação da iluminação com as características das superfícies determina a resposta visual humana. Assim, é necessário definir um parâmetro para quantificar esta combinação de efeitos, ou seja, o fluxo luminoso emitido. Este é definido pela sua distribuição angular, em ângulo PÁGINA 62 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

80 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios sólido, sendo denominado por intensidade luminosa e a sua unidade é a candela (cd). O fluxo luminoso emitido por um objecto é chamado de brilho e a sua unidade é a luminância, que corresponde a: Iluminância( lux) reflectância π (cd/m 2 ). Para uma melhor avaliação do brilho dos objectos foi definido o contraste, o que representa a razão entre o brilho de uma superfície e o seu fundo imediato. O contraste pode ser quantificado pela razão de luminâncias ou de reflectâncias das superfícies em estudo. Para a definição de um espaço visualmente confortável nos edifícios, podem ser definidos tipos de contraste: um entre as superfícies da envolvente do compartimento, outro entre a superfície e o observador. Os valores recomendados do contraste são apresentados na Tabela 3.9 e Tabela 3.9 Reflectância das superfícies recomendada Superfícies Reflectância Recomendada Tectos Paredes (adjacentes a fontes luminosas) Paredes (restantes) Pavimentos Fonte: Santos, 2000 Tabela 3.10 Razão de luminâncias recomendada Tipo de razão Razão de Luminâncias Tarefa visual / ambiente Tarefa visual / campo periférico Fonte luminosa / espaço adjacente Observados / interior em geral Fonte: Santos, 2000 Um parâmetro muito utilizado na avaliação da iluminação de um compartimento (principalmente para a iluminação natural) é o Factor Luz do Dia (FLD). Este pode ser definido como a razão entre a iluminância de um Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 63

81 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE certo ponto do espaço interior, num plano de trabalho horizontal, e a iluminância proveniente do exterior, para um céu encoberto padrão 1. Alguns valores recomendados para este parâmetro são apresentados na Tabela Tabela 3.11 FLD recomendado para alguns tipos de espaços Espaço FLD (%) Médio Mínimo Igreja 5 1 Escritório 5 22 Sala de aula 5 2 Sala de estar Quarto de dormir Cozinha Fonte: A Green Vitruvius, 1999 Por último, um outro factor a controlar para um bom conforto visual é o encadeamento, ou seja, fontes luminosas com um brilho extremo que atingem o campo visual. O encadeamento é muito difícil de quantificar, sendo que pode resultar na distracção dos ocupantes, e até no impedimento da realização das tarefas visuais. De forma a evitar ou reduzir o encadeamento, é necessário um adequado posicionamento das fontes de luz artificial, luminâncias adequadas das superfícies e acautelar a incidência da radiação solar directa nos olhos dos ocupantes ILUMINAÇÃO NATURAL VS ARTIFICIAL A iluminação pode ser obtida de forma natural (luz solar), artificial (lâmpadas) ou uma combinação de ambas. Com vista à redução dos consumos energéticos dos edifícios, a iluminação natural é a melhor opção. A iluminação natural é a forma mas antiga de iluminação, mas na actualidade apenas ganhou popularidade desde a crise petrolífera. Em termos energéticos, a iluminação natural promove poupanças uma vez que não tem custos de operação, além de reduzir as necessidades de arrefecimento, devido a uma maior eficiência luminosa. Em edifícios comerciais a iluminação 1 Céu Encoberto Padrão é definido pela Commission International de L Éclairage (CIE) como um céu completamente coberto de nuvens, três vezes mais brilhante no zénite do que no horizonte e com uma iluminância mínima de 5000 lux, proporcionada por um hemisfério. PÁGINA 64 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

82 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios artificial pode chegar aos 33.3% da factura energética total, enquanto que em edifícios residenciais pode atingir os 25%. Como tal, a iluminação natural pode ser um factor essencial para a eficiência energética dos edifícios. É certo que a iluminação natural, devido à sua aleatoriedade e inexistência durante a noite, não pode satisfazer todas as necessidades de iluminação, mas nos períodos que está disponível pode reduzir substancialmente os consumos energéticos subjacentes à iluminação artificial (West, 2001). Por outro lado, a ausência de luz natural pode levar à depressão, problemas nos ossos devido à falta de vitamina D e distúrbios de sono e concentração. Em termos mais subjectivos, existem também várias razões para a preferência da iluminação natural. Em primeiro lugar, é fácil perceber que a visão humana foi desenvolvida para a luz solar. Como tal, o facto da luz natural variar ao longo do dia é um factor que proporciona conforto. Finalmente, a obtenção da iluminação natural requer, quase sempre, a inclusão de envidraçados, o que proporciona a visão para o exterior, proporcionando também conforto. Em termos profissionais, a desconcentração que pode advir do exterior, normalmente é diluída no aumento da motivação que advém da visão para o exterior PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO NATURAL O principal elemento para fornecer a iluminação natural é o envidraçado, pelo que é necessária uma cuidadosa escolha do tamanho e forma destes, de modo a promoverem uma iluminação natural conveniente, em função da profundidade do compartimento, orientação do envidraçado, etc. Também se pode dividir os envidraçados para suprir diferentes necessidades, como por exemplo, colocar uma janela a maior altura para proporcionar a iluminação natural a maiores profundidades. Para proporcionar a vista para o exterior, pode ser colocada uma janela a uma altura mais baixa. Com o avanço científico foram criados envidraçados que permitem um maior controlo da Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 65

83 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE intensidade e propriedades ópticas da luz solar, assim como o fluxo de calor que os atravessa. Neste campo podemos inserir os envidraçados crómicos, que podem alterar a sua cor, desde transparentes até escuros, como se pode observar na Figura 3.19, controlando assim a radiação que os atravessa e prevenindo o sobreaquecimento e o encadeamento. Estes envidraçados podem dividir-se em 3 tipo: fotocrómicos alteram a sua cor em função da luz incidente; termocrómicos - alteram a sua cor em função da temperatura; electrocrómicos - alteram a sua cor em função de impulsos eléctricos (A Green Vitruvius, 1999). Figura 3.19 Funcionamento de envidraçados electrocrómicos Adicionalmente, existem sistemas de distribuição da iluminação natural, utilizados para proporcionar uma melhor distribuição da luz solar, ao longo do compartimento. Actualmente existem várias soluções para receber e redireccionar a luz solar, de forma a alcançar maiores profundidades no compartimento e reduzir o excesso de luminosidade perto dos envidraçados (Figura 3.20). De entre estas soluções, existem algumas que requerem mudanças arquitecturais profundas átrios, clarabóias, poços de luz, etc; enquanto que outras podem ser aplicadas facilmente envidraçados reflectores prismáticos, sistemas de sombreamento, etc. PÁGINA 66 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

84 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Iluminação Unilateral pelo Envidraçado Iluminação por Clarabóia Poço de Luz Poço de Luz Figura 3.20 Algumas soluções para a iluminação natural PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL A iluminação artificial é obtida pela utilização de lâmpadas aparelhos que transformam a energia eléctrica em radiação, em que parte da radiação é luz. Dependendo da forma como produzem a luz, as lâmpadas podem ser: Incandescentes produzem a luz através da radiação produzida por um filamento aquecido pela passagem de corrente eléctrica; O material do filamento mais corrente é o tungsténio, mas actualmente o halogéneo é muito utilizado devido à sua maior eficiência. Na Figura 3.21 está representado o ciclo de conversão deste tipo de lâmpadas. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 67

85 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 3.21 Fluxo energético em lâmpadas incandescentes. Fonte: Majoros, 1997 Descarga gasosa é baseada em transições quânticas entre níveis energéticos discretos. Os comprimentos de onda resultantes desta transição não costumam cair nos visíveis, pelo que são utilizados revestimentos especiais para converter os comprimentos de onda. Por exemplo, os revestimentos de fósforo utilizados em lâmpadas de descarga gasosa as chamadas lâmpadas fluorescentes. Na Figura 3.22 está representado o ciclo de conversão deste tipo de lâmpadas. Figura Fluxo energético em lâmpadas de descarga gasosa. Fonte: Majoros, 1997 De forma a promover a eficiência energética, o tipo de lâmpadas a utilizar deve ser escolhido em função do tipo de requerimentos e espaços. Também é necessário ter em conta que a energia consumida na iluminação depende da potência dos equipamentos de iluminação, assim como do tempo durante o qual estão ligados. Na Tabela 3.12 são apresentadas as eficiências e utilizações de alguns tipos de lâmpadas (Majoros e Dr. Habil, 1997). PÁGINA 68 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

86 CAPÍTULO 3 Térmica dos Edifícios Tabela 3.12 Propriedades de algumas fontes luminosas artificiais Eficácia Vida útil Fonte Luminosa (lm/w) (h) Lâmpada Incandescente Lâmpada de Descarga Gasosa Fonte: Khedari, 2000 Utilização Vela /- 24 Decorativos tungsténio halogénio Fluorescente Vapor de Mercúrio Sódio a alta pressão Sódio a baixa pressão Espaços de utilização eventual Tarefas que requerem condições luminosas especiais; efeitos especiais Escritórios; espaços comerciais Espaços interiores comerciais; exterior Espaços interiores comerciais; exterior Exterior, especialmente em estradas SISTEMA DE ILUMINAÇÃO EFICIENTE Para um sistema de iluminação eficiente, é necessário um cuidadoso projecto, que avalie as potencialidades da iluminação natural, a escolha adequada do tipo de envidraçado, tamanho e orientação. Importa ainda aplicar lâmpadas eficientes e com a potência adequada para o espaço e para as tarefas a executar. Os critérios a seguir são a maximização da iluminação natural e utilização de um sistema de iluminação artificial de reserva com potência adequada. Para analisarmos a iluminação natural, é necessário definir um índice de forma (K) do compartimento, como por exemplo: Equação 3.30 W D K = ( W + D) h com; W largura do compartimento (m); D profundidade do compartimento (m); h altura entre a superfície de trabalho e o tecto (m). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 69

87 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Outro factor importante é a avaliação da radiação visível que atinge a superfície de trabalho, que compreende a soma de três factores: Componente céu radiação que atinge a superfície de trabalho emitida directamente pelo céu; Componente exterior reflectida - radiação que atinge a superfície de trabalho devido a reflexões exteriores ao compartimento; Componente exterior reflectida - radiação que atinge a superfície de trabalho devido a reflexões interiores ao compartimento. Ghisi efectuou um estudo onde determina a área ideal de janela em Florianópolis (Brasil), considerando a iluminação natural e os consumos energéticos resultantes da variação da dimensão da janela. Os resultados obtidos por este estudo não podem ser directamente extrapolados para outras localizações, pois os resultados dependem da integração de vários factores (sombreador, tipo de envidraçado, etc.) e do tipo de clima. No entanto, o estudo apresenta uma metodologia para o cálculo da área de envidraçado ideal, como se pode observar na Figura 3.23, que pode ser aplicado em qualquer clima, através da modelação de um compartimento e aplicação numa ferramenta de simulação. Para o caso específico onde foi aplicada esta metodologia, atingiram-se reduções do consumo energético que chegariam aos 44% (Ghisi e Tinkerb, 2005). Figura 3.23 Área de envidraçado ideal em relação à área da fachada. Fonte: Ghisi e Tinkerb, PÁGINA 70 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

88 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios 4. CAPÍTULO 4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DOS EDIFÍCIOS 4.1. PERFORMANCE DOS EDIFÍCIOS A avaliação da performance dos edifícios é um ponto fulcral para a eficiência energética, pois apenas com o seu conhecimento, é possível identificar se os edifícios possuem, ou não, boa eficiência energética. Apresentam-se de seguida alguns conceitos fundamentais no que respeita à compreensão da análise da performance dos edifícios. - Previsão: desenvolvimento de modelos que simulam comportamentos supostamente reais. Estes modelos podem ir desde uma ideia que existe na nossa mente, desde cálculos numéricos até um elaborado programa computacional de simulação de edifícios. Como tal, dependendo do tipo de performance que se precisa prever e respectiva complexidade, deverá ser escolhido um método que se adeque; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 71

89 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE - Avaliação: a avaliação da performance envolve a comparação entre as performances de várias alternativas de design, e entre as normas existentes que regulam a performance que o edifício deverá possuir; - Avaliação Ambiental: para avaliar a performance ambiental, é necessária a produção de critérios de decisão, além da comparação ambiental da performance das várias opções; - Precisão da previsão: a precisão das previsões de performance dependem do modelo utilizado e da exactidão dos dados de entrada. Como tal, de forma a introduzir dados precisos, é necessário conhecer a forma como os edifícios são geridos e utilizados. A avaliação da performance dos edifícios é um processo que implica um alto grau de dificuldade, pois um edifício é um sistema complexo, em que cada subsistema (paredes exteriores, cobertura, envidraçados, etc) tem um papel importante na performance energética global. Adicionalmente, existem efeitos cruzados entres os vários subsistemas que podem ser bastante relevantes. Nos últimos anos têm sido desenvolvidos vários tipos de sistemas para classificar as habitações, os quais se podem englobar em três categorias: Sistema de pontos cada subsistema do edifício é analisado, sendo-lhe atribuído um certo número de pontos; Sistema de performance aqui é atribuído um índice de performance em termos de consumo anual energético (aquecimento, arrefecimento, águas quentes sanitárias, etc); Sistema de consciencialização aqui é apresentado um consumo anual de referência, tendo em consideração a zona climática na qual se insere. A utilização dos métodos de previsão e avaliação da performance dos edifícios traz numerosas vantagens, quer a nível económico, quer a nível ambiental, que compensam inteiramente os custos acrescidos da realização de análises e simulações desde a fase inicial do projecto. PÁGINA 72 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

90 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Um dos efeitos mais visíveis é a redução da potência instalada dos equipamentos de AVAC. Este facto, normalmente, é considerado uma desvantagem pelos projectistas, pois as suas comissões são muitas vezes uma percentagem do custo dos equipamentos. Assim, só através da mudança desta forma de pagamento aos projectistas pagamento adiantado se pode incentivar a introdução das ferramentas para redução dos consumos energéticos de edifícios. Esta mudança, aliada a programas governamentais que promovam a colaboração entre os vários intervenientes do projecto, através do pagamento de subsídios se o edifício se revelar energeticamente eficiente, pode resultar numa alteração das atitudes vigentes actualmente no mercado, promovendo assim a construção em massa de edifícios energeticamente eficientes (Papamichael, 2000) SISTEMA DE AVALIAÇÃO DA PERFORMANCE DE EDIFÍCIOS A maior parte dos sistemas de classificação foi desenvolvido apenas para habitações novas, talvez pela maior facilidade de avaliação na fase de projectos, apenas recorrendo aos desenhos e especificações. Mas, de forma a englobar tanto os edifícios novos como os existentes, é apresentado o sistema de classificação misto, entre um sistema de performance e um sistema de consciencialização, proposto por Zmeureanu. Desenvolver um sistema de classificação deste tipo é bastante complexo, pois é necessário ter em conta a performance térmica real da envolvente exterior, assim como o comportamento dos ocupantes. O sistema proposto consiste em realizar os seguintes passos (Zmeureanu et al, 1999): 1. Análise das facturas energéticas das habitações, procedendo a uma normalização em termos climáticos, ao cálculo do consumo energético anual normalizado (NAC) e do custo energético anual normalizado (NACo). Estes valores são comparados com os obtidos em casas de referência e assim pode informar-se o cliente da rentabilidade de uma análise mais detalhada. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 73

91 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 2. Atribuição de um índice de performance energética nos termos do custo energético anual normalizado (NACo) por exemplo, pode utilizar-se a expressão 4.1: Equação IND = 100 com, 1+ exp [ λ ( NACo a) ] λ - custo energético anual de edifício energeticamente eficiente [ /m2]; a - custo energético anual normalizado médio de um edifício [ /m2]. 3. Utilização de uma câmara de infravermelhos de forma a detectar vazios e pontes térmicas. Cálculo das infiltrações de ar, utilizando o método dos gases traçadores ou a porta-ventiladora. Finalmente, são escolhidas algumas localizações representativas para medir a resistência térmica da envolvente exterior. Aqui podem ser utilizados três métodos, todos com as sua vantagens e desvantagens: calcular o fluxo de calor pela envolvente com sensores de fluxo de calor e as temperaturas superficiais com termopares; calcular o fluxo de calor e as temperaturas superficiais com um pirómetro infravermelho; definir por inspecção visual o tipo e a espessura dos panos constituintes da envolvente exterior, obtendo a resistência térmica por consulta de tabelas. 4. Obtenção de dados necessários para o programa de simulação térmica medidas e tipos de parede e janelas exteriores, tipo e capacidade do sistema de aquecimento / arrefecimento, etc. 5. Desenvolvimento e calibração (utilizando as facturas energéticas) de um modelo computacional de simulação térmica. Avalia-se, assim, o potencial de poupanças energéticas e estima-se a utilização energética intrínseca, ou seja, estimam-se os consumos energéticos, retirando a parte da iluminação e de águas quentes sanitárias. PÁGINA 74 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

92 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios 6. Selecção das medidas de conservação energética mais rentáveis e estimação do potencial de poupança energética, através da simulação computacional. Estimação dos custos iniciais da reabilitação energética. 7. Redacção de um relatório sumário onde se discutem todos os resultados obtidos através desta análise energética. A partir deste sistema de classificação, é possível quantificar o potencial de poupança energética em edifícios novos 1, através da razão entre a resistência térmica da envolvente exterior e o valor mínimo da resistência térmica para uma casa energeticamente eficiente. Se a avaliação for para edifícios existentes, então a melhor forma de determinar o potencial de poupança energética será através da análise da energia intrínseca. Os encargos e tempo necessário para efectuar um diagnóstico completo a partir deste tipo de sistema de classificação são apresentados na Tabela 4.1 (Zmeureanu et al, 1999). Tabela 4.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício Tarefas Tempo médio (min) Custo ( ) 1 - "in situ" Utilização da câmara infravermelhos Inspecção visual Avaliação da resistência térmica - 3º método Medição da taxa de renovação de ar horária Avaliação da eficiência do sistema de aquecimento / arrefecimento Determinação custo energético anual normalizado Obtenção dos parâmetros necessários para a simulação computacional Transporte e instalação de equipamento Total no escritório Desenvolvimento do modelo computacional de simulação térmica Estimação do potencial de poupança energética Relatório final Total Fonte: Zmeureanu et al, Para estes casos não se executam os passos 1 e 3. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 75

93 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 4.2. FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO A simulação de edifícios pode ser definida como a introdução das características do edifício que, com um certo grau de abstracção, representem a realidade. Como um edifício é composto por milhares de variáveis, é necessário apenas representar as mais importantes e simplificar ou não introduzir as de menor importância (Adelard et al, 1999). Assim, para simular a realidade utilizando ferramentas de simulação é necessário executar três tarefas (Augenbroe, 2002): Criação do modelo nesta fase é executado uma representação esquemática do edifício (modelo) numa dada fase, a partir da redução deste a uma forma idealizada, com um dado nível de abstracção; Simulação nesta fase é introduzido o modelo na ferramenta de simulação e ajustada a ferramenta de modo que os resultados obtidos reflictam o que se pretende avaliar; Análise de resultados nesta fase são analisados todos os resultados obtidos pela ferramenta de simulação, de forma a produzir os indicadores de performance que se pretende quantificar. As ferramentas de simulação estão firmemente integradas no sector da construção há mais de duas décadas. Estas trouxeram um aumento de rapidez na fase de projecto, uma maior eficiência, a possibilidade de testar uma vasta gama de soluções de design, resultando no aperfeiçoamento das soluções de projecto. Assim, as ferramentas de simulação da performance energética dos edifícios podem aumentar a competitividade, produtividade, qualidade e a eficiência na indústria da construção, assim como facilitar a aplicação de tecnologias inovadoras. Devido ao grande desenvolvimento na capacidade de processamento dos computadores, é possível simular as várias soluções de projecto com rapidez, mesmo com ferramentas de simulação mais complexas e eficientes. Muito devido à vertiginosa evolução da potência de computação, é agora possível PÁGINA 76 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

94 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios simular o comportamento dos edifícios e seus componentes a partir de algoritmos e de dados físicos, de uma forma e complexidade impossíveis há alguns anos atrás. Desta forma, é possível simular a performance energética dos edifícios de um modo cada vez mais rigoroso. Tal facto é muito importante para o mercado da construção, principalmente com a entrada em vigor de normas baseadas na performance dos edifícios. Estas ditam que é necessário, mesmo em fase de projecto, que o edifício esteja dentro das normas em vigor, o que poderá ser facilitado com a utilização de software de simulação da performance energética dos edifícios. Por exemplo, a transmissão de calor através da envolvente do edifício pode ser simulada com relativa facilidade, facilitando a verificação da existência de pontes térmicas na envolvente, como se pode observar na Figura 4.1 (Hensen e Nakahara, 2001). Figura 4.1 Simulação do fluxo de calor numa caixilharia de PVC. Fonte: Deleme SA Mas as ferramentas de simulação possuem outras aplicações com grande utilidade, como o apoio ao desenvolvimento de regulamentos térmicos. Com estas ferramentas é possível verificar as soluções energeticamente mais eficientes para um dado clima, desenvolvendo um consumo de referência para cada região. No desenvolvimento de regulamentos térmicos, as ferramentas de simulação podem ser utilizadas para a obtenção da equação de cálculo do valor máximo do coeficiente de transmissão térmico das paredes e tectos. Tal pode ser conseguido através da simplificação dos Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 77

95 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE resultados de simulação anual dinâmica, numa equação estática, como a observada no desenvolvimento dos regulamentos térmicos do Egipto (ver Huang et al, 2002). Ao aplicar as ferramentas de simulação em projectos, é necessária uma avaliação cuidada do tipo de integração a executar. É possível identificar quatro tipos de integração (Augenbroe, 2002): 1. criação de duas equipas separadas, uma de projecto e outra de simulação, onde a partilha de informações é orientada apenas para a partilha de dados e não existe uma gestão desta troca de informações; 2. semelhante à referida anteriormente, mas com a particularidade da criação de um módulo de gestão de dados, baseado num fluxo lógico de troca de informação específico do projecto; 3. execução de reuniões entre as equipas de projecto e a de simulação, com uma vasta gama de discussão das soluções apresentadas pelas duas equipas, durante todas as fases de projecto; 4. criação de uma ferramenta de gestão que analisa toda a informação, de projecto e das simulações, podendo na prática ser considerada uma ferramenta de simulação amiga do utilizador, com a diferença de a parte de simulação ser executada por especialistas e os seus resultados serem compilados numa ferramenta de gestão de informação. Analisados os quatro tipos de integração, é possível concluir que apenas com as integrações tipo 3 e 4 existe uma partilha de informações dinâmica, aumentando a aplicabilidade dos resultados obtidos pelas ferramentas de simulação no projecto, o que tendencialmente levará a uma maior eficiência do projecto PRECISÃO DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO A precisão das ferramentas de simulação pode variar muito. Esta depende primariamente da exactidão do modelo, da precisão da simulação e da correcta análise do resultados. A precisão da simulação depende das PÁGINA 78 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

96 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios ferramentas em si, pois existem algumas que são criadas especificamente para terem elevada performance, enquanto que outras são criadas para a redução do tempo de execução da simulação. O modelo depende, em grande parte, da exactidão dos dados de entrada. O factor humano é também muito importante para o resultado da simulação, pois é necessário compreender os modelos e conhecer a fundo o que se vai simular, de modo a preparar os dados de entrada do modelo. Cada programa tem as suas especificidades, pelo que para se produzirem resultados com grande precisão é necessário conhecer o programa a fundo, de forma a ultrapassar as pequenas incongruências de cada programa. Em todas as formas de avaliação da performance dos edifícios, desde as ferramentas de simulação, até aos conselhos de especialistas baseados no seu julgamento pessoal, não é costume a determinação das incertezas subjacentes às avaliações. Assim, os resultados das avaliações são apresentados na forma de valores determinísticos. Mas para determinar a precisão das ferramentas de simulação é necessária a quantificação das incertezas. Estudos efectuados por Wit mostram que as incertezas podem atingir valores altos, sendo imperativo apresentar as incertezas associadas às avaliações da performance dos edifícios. Neste estudo foram encontradas as fontes de incerteza com maior relevância: taxas de infiltração; estratificação da temperatura interior; temperatura exterior; transferência de calor interior por convecção; distribuição da radiação solar incidente; distribuição dos ganhos internos; trocas de calor radiantes entre as superfícies das paredes interiores; transferência de calor exterior por convecção. De todos os factores mencionados, os que representam a maior percentagem de incerteza são a taxa de infiltração, devido à variabilidade do vento, e a Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 79

97 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE estratificação da temperatura interior. Tal deve-se ao facto da maioria dos modelos simular o volume de ar interior apenas a partir de um nó, apresentado a temperatura média, o que pode levar a erros com algum peso se considerarmos a estratificação da temperatura interior (Wit e Augenbroe, 2002) EXECUÇÃO DE MODELOS O ponto de partida para a maior parte das ferramentas de simulação energéticas é a realização de um modelo. A segurança nos resultados obtidos pela simulação está intrinsecamente relacionada com a exactidão do modelo. Assim, é necessário introduzir o máximo de esforço possível na produção de um modelo satisfatório. Pedrini apresenta uma metodologia para a calibração de modelos de edifícios existentes, onde relaciona um aumento de complexidade do modelo com o nível de resultados obtidos. Esta metodologia baseia-se na análise dos dados de entrada inputs modelos que representam o edifício a partir de um certo nível de abstracção, e dos dados de saída outputs relatórios que contêm os resultados obtidos pelas simulações. Esta metodologia começa pela compilação dos dados existentes: Plantas arquitectónicas identificação das geometrias, áreas de envidraçados, elementos de construção, etc; Sistema de iluminação eléctrico - potência das lâmpadas, distribuição, etc; Sistema secundário de ar condicionado planos das tubagens de distribuição de ar, característica dos sistemas como as temperaturas de conforto, capacidade total e sensível de arrefecimento, etc; Sistema primário de ar condicionado planos das tubagens de distribuição de água fria, característica do chiller como o modelo, ano, COP, etc; Horários de utilização da iluminação e ar condicionado e número de ocupantes; Inventário de equipamento com consumos energéticos significativos; PÁGINA 80 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

98 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Histórico dos consumos energéticos mensais; Consumos energéticos horários, para um período representativo; Propriedades dos componentes dos edifícios. Para o clima português, nesta primeira fase, é também necessário definir os sistemas de aquecimento utilizados e sua potência, pois no nosso clima os consumos energéticos para aquecimento são preponderantes para o consumo energético total. Com todas estas informações, é possível realizar um primeiro modelo, simular e comparar com os consumos mensais medidos. Com este procedimento identifica-se as principais fontes de cargas térmicas e consumos energéticos, estando a situação preparada para o segundo passo de calibração, uma auditoria: Classificação das zonas por tipo de utilização, iluminação artificial e controlo climático; Medição de vários parâmetros através de instrumentos portáteis níveis de iluminação, fluxo de ar, temperatura, etc; Introdução de sensores fixos nas várias zonas, acoplados de Data- Loggers. O terceiro passo consiste na divisão do consumo energético total em partes, ou seja, no cálculo da percentagem de energia gasta pela iluminação, equipamentos e arrefecimento e aquecimento. Para o último passo, é necessário medir os consumos reais e potências associadas aos sistemas de aquecimento e arrefecimento. Seguindo todos estes passos é possível obter um modelo bastante rigoroso, garantindo-se uma simulação com resultados muito precisos (Pedrini e Lamberts, 2001). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 81

99 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE DADOS CLIMÁTICOS Os dados climáticos são um dos parâmetros mais importantes na simulação térmica dos edifícios, principalmente na previsão das necessidades de aquecimento/arrefecimento e respectivo dimensionamento dos sistemas de climatização. Assim, se para uma dada localização não existirem dados climáticos, estes terão de ser gerados a partir de um software existente. Os dados climáticos podem ser obtidos em diferentes formas, com diferentes complexidades. A escolha do tipo de dados climáticos a utilizar depende do que se pretende estimar, como tal os vários tipos de dados climáticos podem ser sistematizados da forma apresentada na Tabela 4.2: Tabela 4.2 Classificação das formas existentes para determinar bases de dados meteorológicas. Designação Utilização Vantagens e desvantagens Dados Graus-Dia "Bin" Anos Múltiplos (MY) Anos meteorológicos típicos (TMY) e Anos de teste de referência (TRY) avaliação dos consumos para aquecimento Consumos energéticos e avaliação térmica Consumos energéticos e avaliação térmica (-) Volume de informação insuficiente; (+) Facilidade de utilização (tabela). (+) Excelente precisão; (-) Altos tempos de computação; (-) Grande volume de informação. (+)Boa precisão das necessidades; média energéticas; (-) Possibilidade de escolher um ano não adaptado às necessidades dos edifícios. Dias representativos e pequenas sequências de anos de referencia Geradores de ficheiros climáticos Fonte: Adelard et al, Dimensionamento de sistemas AVAC e Solares Fornecer dados inexistentes, dimensionamento de equipamento e avaliação das necessidades energéticas (+) Ganho temporal; (-) Possibilidade de sub/sobrestimar a potência do equipamento. (-) Dificuldade na modelação das variáveis climáticas. Dados Graus-Dia "Bin" este método simplificado para obtenção das temperaturas, foi criado para estimar as cargas térmicas de aquecimento / arrefecimento. PÁGINA 82 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

100 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Anos meteorológicos típicos (TMY) e Anos de teste de referência (TRY) este conceito foi apresentado de forma a aumentar a precisão da estimação das necessidades energéticas, contendo dados climáticos horários representativos de um ano típico. Dias representativos este conceito foi criado para reduzir o tempo computacional, para utilização em simulações e ferramentas de design simplificados. Estes dias representam as condições climatéricas típicas e correspondem à média e extremos das condições de cada dado climático. Anos múltiplos (MY) este conceito apresenta vários anos de dados climáticos (podendo ir de 5 a 100 ou mais anos); não vingou inicialmente devido à complexidade de cálculo necessária, mas devido ao progresso dos computadores, este tipo de dados climáticos começa a ser utilizado, ainda que necessitando de maior esforço, pois existem muitos mais dados a ser tratados (Hui e Cheung, 1997). Geradores de ficheiros climáticos estas rotinas utilizam a análise estatística para modelar os dados climáticos. Geralmente utilizam médias mensais de dados diários para gerar as variáveis climáticas, a partir de distribuições estatísticas e correlações. Quando possível, têm em conta as interacções entre as diversas variáveis. Devido à grande intensidade de radiação solar em Portugal, o potencial de aplicação do design solar passivo é muito grande. Foi finalmente ultrapassada a desconfiança que esta tecnologia despertava, devido à tentativa frustrada de implementação nos anos 80, quando a tecnologia ainda não estava suficientemente avançada e os materiais utilizados eram de fraca qualidade. Actualmente esta tecnologia sofreu avanços, tendo a manutenção incluída durante 5 anos, garantia e incentivos do Governo. Assim, a determinação dos dados climáticos de várias localizações de Portugal seria muito útil para uma melhor e mais precisa avaliação da performance da aplicação dos sistemas solares passivos nos edifícios. Os programas de simulação da performance Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 83

101 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE energética dos edifícios utilizam, geralmente, uma base de dados climáticos com a duração de 1 ano. Como tal, de forma a conseguir avaliar a longo termo a performance dos sistemas do edifício, é necessário utilizar ficheiros climáticos TMY ou TRY. A geração deste tipo de dados climáticas tem de ser cuidadosa, pois a única forma de obter uma boa precisão da performance energética a longo termo é se as sequências climáticas que ocorrem neste ano médio, forem representativas das que ocorrem a longo termo. Kalogirou descreve uma forma de gerar ficheiros climáticos TMY representativos a longo termo (Kalogirou, 2003): Obtenção do ficheiro climático TMY através da análise estatística de vários anos de dados meteorológicos, onde são eliminados os dados estatisticamente errados (chamados outsiders). Cálculo da Função Distribuição Acumulada mensal (FDA) e a longo prazo (FDALT), para cada parâmetro meteorológico e utilização do método estatístico de Filkenstein-Schafer, através da equação 4.2, para obter as médias: Equação 4.2 N 1 FS = FDA LT FDA N i= 1 Aplicação factores de peso a cada parâmetro, de forma a escolher qual a importância relativa de cada parâmetro no resultado final. Cálculo da raiz quadrada do desvio padrão para cada mês, em todos os anos. Por último, escolha do mês representativo para cada parâmetro. Para programas de simulação mais avançados são normalmente utilizados os ficheiros climáticos tipos TMY-2, os quais são baseados nos TMY, mas apresentam os dados de forma horária, em vez de mensal. Em Portugal, face ao novo Regulamento Térmico prestes a entrar em vigor, com maiores restrições ao nível dos consumos energéticos dos edifícios, será PÁGINA 84 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

102 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios conveniente a utilização de programas de simulação do comportamento energético dos edifícios. Como tal, de forma a garantir bons resultados nas simulações, é extremamente importante utilizar dados climáticos precisos, podendo ser necessária a geração de ficheiros climáticos TMY de forma analítica ou com a utilização de geradores de ficheiros climáticos, como por exemplo o RUNEOLE (Figura 4.2), de forma a reduzir o tempo de computação e aumentar a precisão dos dados climáticos (Adelard et al, 2000). Figura 4.2 Software RUNEOLE para geração de ficheiros climáticos. Fonte: Adelard et al, DESAFIOS E LIMITAÇÕES DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO Os desafios que se apresentam a estas ferramentas de simulação actualmente são: 1) a sua integração como um todo; 2) aumento no controlo de qualidade; 3) a exploração das oportunidades que surgem com a explosão da Internet. 1) para a caracterização item é necessário que as várias ferramentas com provas dadas no mercado se interliguem de forma mais eficiente, reduzindo assim de forma substancial o tempo de simulação e a vasta gama de conhecimentos necessários para dominar todos programas das diferentes áreas (térmica, ventilação, iluminação, etc.) ou que apareçam ferramentas novas com todas estas áreas integradas; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 85

103 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 2) o controlo de qualidade das ferramentas de simulação é essencial para prevenir a utilização de ferramentas que contenham algum tipo de problema no seu motor de cálculo. Basta um pequeno erro nos milhares de linhas de comando do programa para que o resultado da sua simulação esteja distorcido, resultando em erros de avaliação e consequentemente na escolha de soluções que não são as mais apropriadas; 3) o aproveitamento das oportunidades que surgiram com a Internet pode ser de vários tipos: desde a ligação eficiente de equipas de projecto com empresas especializadas em simulação, até à partilha de conhecimentos e particularidades das várias ferramentas de simulações em bases de dados on-line e de rápida consulta. Desafio 1) verifica-se que têm sido desenvolvidos três tipos de soluções para vencer este desafio > 1º criação de procedimentos para troca de informação entre as várias ferramentas; 2º criação de ferramentas, chamadas intermédias, que interligam as várias ferramentas existentes, de forma a compatibiliza-las; 3ª criação de ferramentas integradas que simulem os diferentes domínios necessários Assim, podemos identificar as ferramentas de simulação de edifícios inseridas em quatro categorias: 1. Stand-alone estas ferramentas não possuem ligações com outras; como tal, sempre que se parte para outra aplicação, é necessário criar um novo modelo de projecto; 2. Inter-operáveis estas ferramentas possuem procedimentos de troca ou partilha de informações com outras ferramentas, que são invocados manualmente. Por exemplo, utilizando esta ferramenta é possível definir a geometria do edifício em plataforma CAD e introduzir numa ferramenta de simulação energética a geometria; 3. Emparelhados estas ferramentas possuem ligações a outras aplicações, em que durante a simulação a ferramenta chama outras aplicações, sempre que necessário. Tal se deve a ferramentas PÁGINA 86 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

104 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios intermédias 2 de pré e pós-processamento, que interligam as várias ferramentas; 4. Integrados ferramentas que possuem a capacidade de simular diferentes domínios, utilizando um único modelo de projecto. A grande diferença entre estas ferramentas é que as inseridas nas categorias 3 e 4 são ferramentas que suportam uma partilha de informações dinâmica, resultando na harmonização dos resultados das várias ferramentas e facilitando a sua comparação. Como tal, é possível uma escolha de soluções bastante mais sustentada, pois possibilitam a tomada de decisões multidisciplinar. Assim, estas ferramentas aumentam a precisão do resultado final. Adicionalmente estas ferramentas com troca de informações dinâmicas apenas necessitam de um modelo, o que torna a gestão do mesmo muito mais simples, facilitando o teste a várias opções (Citherlet e Hand, 2002; Laine et al, 2001; Liebich, 2003). Desafio 2) este apenas pode ser ultrapassado com a certificação e teste das várias ferramentas de simulação, ou seja, é necessária uma revisão da literatura em que se baseia a ferramenta, verificação dos códigos utilizados, verificação analítica, comparação entre modelos, análise da sensibilidade e verificação empírica. Esta última acaba por ser a mais importante e envolve a comparação dos resultados obtidos com uma simulação executada pela ferramenta com os dados medidos num protótipo com as mesmas características da simulação. Devido à dificuldade subjacente a estes testes empíricos, foi desenvolvido um software que possui uma grande aceitação no mercado e com provas dadas BESTEST. Este software baseia-se na realização de testes comparativos entre programas, confrontando o programa a avaliar com outros, considerados de topo na simulação da performance dos edifícios (Judkoff e Neymark, 1995). Desafio 3) para o aproveitamento das potencialidades da Internet, é necessário atentar que grande parte destas ferramentas requerem informação 2 As ferramentas intermédias resultam de um Aliança Internacional de Interoperabilidade (IAI International Alliance for Interoperability), onde já se encontram associadas mais de 600 companhias, de várias áreas. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 87

105 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE detalhada sobre as propriedades dos materiais de construção, entre outras. Tal pode ser problemático, moroso e algumas vezes não se possui confiança absoluta na proveniência desses dados. Em Portugal já existem bases de dados de confiança, como as que se encontram no livro Coeficientes de Transmissão Térmica da Envolvente Exterior do LNEC. São, porém, tabelas muito estáticas e não acompanham a evolução do mercado nem a introdução de produtos inovadores. Seria necessário que estas tabelas fossem disponibilizadas Online e constantemente actualizadas. Também seria de grande utilidade que estas bases de dados tivessem a opção de exportar os dados para programas de tratamento de dados, como o Excel, de forma a facilitar a introdução da informação detalhada que as ferramentas de simulação necessitam (Papamichael, 2000). Outro exemplo da utilização da Internet em conjunto com as ferramentas de simulação é o observado no projecto SmartHomes, onde a Internet é utilizada para, em tempo real, controlar a habitação, através de vários sensores e actuadores lá instalados. Este projecto é discutido com maior pormenor no ponto Em termos de limitações das ferramentas de simulação, é possível referir que, frequentemente, as questões inovadoras que estas ferramentas têm que enfrentar, superam a capacidade de resposta do programa. Considerando que estão constantemente a ser desenvolvidos novos componentes a aplicar em edifícios, de forma a torná-los mais eficientes, as ferramentas devem possuir facilidade de integração de novos módulos e funcionalidades. Se algumas destas soluções inovadora podem ser simulados facilmente, mantendo a estrutura da ferramenta de simulação, como por exemplo o aparecimento de envidraçados inovadores, que implicou modificar as características de condutibilidade e do factor solar para os caracterizar; existem outras soluções que apenas com a introdução de novos comandos possibilitam a simulação. Por exemplo, ao integrar uma Parede de Trombe num edifício, apenas era possível simular correctamente com a introdução de novos comandos e funcionalidades. Como tal, é necessário que estas ferramentas, além de serem em código aberto, tenham linguagem simples de manusear (Basic, Visual Basic, etc), de forma a facilitar a introdução de novos procedimentos, com capacidade de resposta às questões inovadoras PÁGINA 88 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

106 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios propostas. Este problema coloca-se mais em termos de investigação ou projectos especiais, pois perante a construção tradicional, em princípio, estas ferramentas já possuem capacidade de resposta para qualquer questão que surja (Zweifel, Achermann e Duerig, 2001). A problemática da utilização de ferramentas de simulação é algo que tem vindo a usufruir de variadíssimos estudos. Nesta matéria é possível encontrar um estudo realizado por Donn, onde este realizou uma série de entrevistas de forma a compilar as dificuldades mais pertinentes na utilização de programas de simulação (Donn, 2001): limite temporal na preparação do modelo; ausência de orientação clara sobre os parâmetros que têm um peso muito grande na performance energético dos edifícios, e os que são insignificantes; inexistência de guidelines da performance dos edifícios que forneçam uma base para a compreensão das recomendações das simulações; inexistência de ferramentas para resumir e detectar padrões resultantes do excesso de informação produzido pelos programas de simulação durante a fase de teste das várias soluções. No artigo de Donn, estão discutidos com maior profundidade todos estes pontos apresentados anteriormente. Mas a principal conclusão retirada destas entrevistas é a necessidade de melhores especificações incluídas nas várias ferramentas que ajudam a garantir os bons resultados obtidos pela sua utilização, como procedimentos que identifiquem qualquer tipo de má definição dos dados de entrada, além da certificação das ferramentas, para garantir a confiança dos utilizadores, resultando na utilização quase global destas ferramentas, aumentando-se assim as garantias de eficiência energética dos edifícios (Donn, 2001). Concluindo, as ferramentas mais sofisticadas existentes actualmente no mercado já ultrapassaram um grande número de limitações, tais como a Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 89

107 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE introdução de ferramentas integradas, sistemas de certificação da qualidade e aproveitamento das potencialidades da Internet. Mas outra inovação ainda não referida é a introdução do ambiente Windows e programação em Visual Basic. Tal resultou em interfaces mais amigas do utilizador, que dispensam a preparação manual do ficheiro de entrada, reduzindo substancialmente o tempo necessário para a preparação da simulação. No entanto este tipo de interfaces tem o problema de limitar as opções possíveis, ou seja, funcionam muito bem para a generalidade dos casos, mas para situações complexas, não contabilizadas no programa, apenas compreendendo a programação que está por trás da interface gráfica, é possível alterar e simular o que realmente se pretende NOVAS APLICAÇÕES DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO Integração da Térmica e Ventilação Inicialmente os modelos de simulação térmica eram baseados na análise dos dados de infiltração e climáticos, produzindo assim modelos inadequados. Mas devido à importância da ventilação na performance energética das habitações, é necessário aplicar modelos mais eficientes, inclusivamente o escoamento através de grandes envidraçados, pois neste caso o escoamento é bi-direccional, sendo necessários cálculos distintos. Assim, para combinar os modelos térmicos com os de ventilação existem duas hipóteses: primeiro é utilizado o modelo térmico para calcular as temperaturas das diversas zonas, usando taxas de ventilação predefinidas, seguidamente calcula-se os fluxos das zonas através de um modelo de ventilação; primeiro é utilizado o modelo de ventilação para calcular os fluxos, utilizando temperaturas predefinidas; seguidamente utiliza-se o modelo térmico para recalcular as temperaturas das zonas, possuindo já os fluxos como dados de entrada. PÁGINA 90 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

108 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Koinakis estudou a implementação de um procedimento de combinação de um modelo térmico e de um modelo de ventilação, através de passos hora a hora, como se pode observar na Figura 4.3. Depois da implementação deste procedimento, foi simulado um apartamento de 4 andares situado em Atenas e montado um sistema de medição para a validação do modelo. Este estudo concluiu que este modelo combinando a térmica e a ventilação possui resultados bastante precisos e de confiança para vários tipos de fenómenos dinâmicos de ventilação, desde fenómenos de infiltração a ventilação cruzada (Koinakis, 2005). Figura 4.3 implementação do modelo de térmica e ventilação. Fonte: Koinakis, Aplicação de sistemas de monitorização A integração de sistemas de monitorização nos edifícios não está ainda muito desenvolvido, mas devido à sua rápida evolução e ligação aos computadores, é algo que no futuro próximo deverá ser integrado nos edifícios de forma a aumentar a eficiência energética destes. Se considerarmos o exemplo da indústria automóvel, a integração de sensores para a monitorização destes, foi um passo de grande importância para melhorar a performance dos automóveis. Actualmente todos os sensores estão ligados a um sistema central (centralina) que recebe todas as informações dos sensores e as processa de forma a aumentar a Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 91

109 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE eficiência dos automóveis, avisando se existe algum problema no sistema. Como tal, o aumento da eficiência energética dos edifícios pode passar por um bom planeamento e implementação de sistemas de controlo complexos e independentes (John, Clements-Croome e Jeronimidis, 2005). Um projecto com grande potencial de êxito, nesta área, é o chamado SmartHomes, que consiste na utilização da Internet para controlar a temperatura, humidade, CO 2 e consumo energético da habitação, através de vários sensores montados na habitação, ligados directamente à Internet, sendo possível verificar em tempo real a performance da casa. Como já foi referido, os hábitos dos utentes tem um peso bastante elevado na eficiência energética das habitações. Porém, com o desenvolvimento deste tipo de serviço a performance energética da habitação poderá passar a ser controlada por especialistas, levando ao aumento da eficiência energética. Neste projecto têm sido utilizadas ferramentas de simulação de forma a (Clarke et al, 2004): avaliar o consumo energético, identificando medidas com prioridade para reduzir os consumos energéticos; avaliar o consumo energético, temperatura e humidade, de forma a assegurar uma cobrança equitativa dos serviços energéticos; aumentar a eficiência do controlo do sistema de aquecimento / arrefecimento; desenvolver estratégias de distribuição da energia, reduzindo o fornecimento de energia em excesso aproximação da procura à oferta. Ferramentas de simulação simplificadas no sector dos edifícios, estas ferramentas podem ser fundamentais para, em fases iniciais do projecto, ajudarem os arquitectos e engenheiros a aumentarem a eficiência energética dos edifícios. Um problema muito comum é a inexistência de ficheiros climáticos para vários locais. Como tal, Westphal propõem uma forma de obter ficheiros climáticos simplificados, utilizando valores médios mensais de temperatura, média e máxima, velocidade do vento e a insolação diária. Esta PÁGINA 92 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

110 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios metodologia apenas consegue prever com alguma precisão o consumo energético anual. Para uma grande precisão, alguns autores acreditam ser imprescindível a simulação de ficheiros climáticos de anos múltiplos (MY). Mas com esta metodologia simplificada, é possível obter resultados muito úteis em fases iniciais, para testar as várias soluções possíveis. Apenas apresenta erros maiores ao simular soluções que se baseiem na inércia térmica do edifício. Esta metodologia gera dois dias típicos de cada mês: um que representa o dia com maior carga de arrefecimento e outro que representa o dia com maior carga de aquecimento, de cada mês. Westphal testou esta metodologia com o software BESTEST, revelando-se bastante precisa para edifícios de baixa massa térmica, quer na previsão das cargas de aquecimento / arrefecimento, quer nas cargas de pico para aquecimento / arrefecimento. Em edifícios de grande massa térmica, os resultados não foram satisfatórios na previsão das cargas de aquecimento / arrefecimento, enquanto que nas cargas de pico de aquecimento foram bastante precisos. Assim, esta metodologia funciona muito bem para as fases iniciais do projecto dos edifícios, tendo em atenção a melhoria da performance com a adição de massa térmica, assim como para o dimensionamento dos sistemas de aquecimento (Westphal e Lamberts, 2004). Ferramentas de Avaliação do Ciclo de Vida - Na última década têm sido desenvolvidos sistemas de avaliação de ciclo de vida dos edifícios, de forma a avaliar do ponto de vista ecológico a sua performance. Estas ferramentas criam perfis ambientais para todos os elementos de construção, considerando todo o ciclo de vida destes materiais, desde o processamento ao desmantelamento. Também são avaliadas as performances ambientais dos vários sistemas existentes nos edifícios, considerando o tipo de combustível que utilizam. Normalmente os cálculos são efectuados a partir da contabilização de emissões com impacto no ambiente, sendo a unidade mais utilizada o CO2-equivalente. Este tipo de análise tem a grande vantagem de integrar os aspectos ecológicos logo na fase conceptual do projecto Esta informação Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 93

111 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ambiental estará disponível e será utilizada durante todo o restante projecto, promovendo assim o desenvolvimento sustentável REGULAMENTAÇÃO TÉRMICA A implementação de regulamentação térmica é uma medida com grande potencial de diminuição do consumo energético dos edifícios, a partir da imposição de limitações, de várias formas, que condicionam a performance energética dos edifícios. Mas os regulamentos do comportamento térmico dos edifícios podem ser muito diversos, com diferentes aproximações. Segundo o Conselho Energético Mundial estes regulamentos podem ser classificados da seguinte forma, organizados com nível crescente de eficácia (Energy efficiency policies and indicators, 2001): 1) Apenas impõem valores máximos para cada um dos elemento individuais da envolvente do edifício; 2) Impõem valores máximos para as necessidades de aquecimento /arrefecimento, tendo em conta a ventilação, ganhos solares passivos e ganhos internos; 3) Contabilizam a performance energética do edifício, onde estipulam o máximo consumo anual de energia primária / final, para o edifício, por unidade de área / volume, tendo em conta as necessidades de aquecimento/arrefecimento e respectivo rendimento dos equipamentos associados, produção de águas quentes sanitárias, ventilação, elevadores, etc, contabilizando outros ganhos por energia solar colectores solares, fotovoltaícos. 4) No último tipo de regulamento, além de contabilizar a performance energética do edifício, entram em linha de conta com a energia incorporada dos materiais de construção. Como tal, o potencial de redução de consumos depende do tipo de regulamento a implementar, assim como da exigência destes. Com a entrada em vigor dos regulamentos de térmica dos edifícios nos países da União Europeia, desde a década de 60, os consumos energéticos dos edifícios têm PÁGINA 94 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

112 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios diminuído significativamente. Por exemplo, na Dinamarca estes consumos tiveram uma diminuição de 25% entre 1972 e Em Portugal os dois regulamentos de performance térmica dos edifícios em vigor são o Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), apenas entrando em vigor em 1991, e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização dos Edifícios (RSECE), apenas entrando em vigor em 1998, podendo ser considerados do tipo 2. A União Europeia está a realizar um esforço comum na redução dos consumos energéticos dos edifícios. Como tal, foi aprovada uma proposta com o intuito de rever todos os regulamento energéticos dos edifícios de todos os estadosmembros, de forma a harmonizar as metodologias de cálculo, criar requisitos mínimos para a performance energética dos edifícios, implementar a certificação energética dos edifícios, entre outras propostas. Este tipo de acções é cada vez mais usual. O México, os Estados Unidos e o Canadá, por exemplo, também têm uma proposta para unificar as suas normas de eficiência energética dos edifícios. Actualmente, muitos países da União Europeia já actualizaram os seus regulamentos térmicos, como é o caso da Alemanha, com poupanças energéticas até 30% comparadas com o regulamento anterior. Em Portugal prevê-se a entrada em vigor do novo RCCTE em 2006, onde será actualizado para tipo 3), aumentando-se substancialmente os requisitos mínimos, promovendo a utilização de energias renováveis e beneficiando materiais certificados. Espera-se com este regulamento aumentar substancialmente a performance energética dos edifícios e revolucionar o mercado da construção. Contudo, apenas com a implementação de regulamento tipo 4) será possível atingir a eficiência ambiental, além da eficiência energética (Carlo, Ghisi e Lamberts, 2003). O grande impulsionador da revisão dos regulamentos térmicos foi a directiva Europeia sobre a performance energética dos edifícios (Directive 2002/91/EC) onde é imposto que todos os estados-membros apliquem novos regulamento harmonizados. O objectivo desta directiva é o aumento do desempenho energético dos edifícios na Comunidade Europeia, contabilizando as Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 95

113 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE condições climáticas externas e as condições locais, bem como as exigências de conforto interior e a rentabilidade económica. Assim, esta directiva requer o estabelecimento de requisitos mínimos da performance energética: edifícios novos ou sujeitos a grandes reabilitações, aplicação da certificação energética dos edifícios; definição de índices baseados na performance dos edifícios, inspecção regular de sistemas existentes nos edifícios e, para edifícios com equipamentos de grandes potências instaladas, é necessária a avaliação de alternativas menos consumidoras (Balaras et al, 2005). Em Portugal, a nova regulamentação de Térmica dos Edifícios referida possui dois tipos de sistemas de classificação dos edifícios: o RCCTE e o RSECE, complementados com um Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos edifícios (SCE). Estes sistemas são uma combinação de um sistema de performance e um sistema de consciencialização, mas todos na óptica de novos edifícios (ou seja apenas analisam o projecto). Somente na certificação existem auditorias (simples, no caso de edifícios residenciais e mais complexas em edifícios de serviços), que classificam na óptica dos edifícios existentes (Zmeureanu et al, 1999) RCCTE O RCCTE tem a vertente dos edifícios residenciais e edifícios de serviços sem sistema de climatização. Neste momento o RCCTE em vigor está bastante desactualizado, pois os valores mínimos estipulados são já superados pelo mercado da construção há alguns anos. Um dos grande benefícios deste regulamento foi a generalização da utilização do isolamento térmico na envolvente e impedir que alguns edifícios fossem projectados sem terem consideração pormenores como a orientação, localização, etc. O novo RCCTE segue a mesma metodologia de aplicação do actual, de forma a tirar partido dos hábitos e conhecimentos existentes. Mas, devido à crescente utilização, tanto de sistemas de aquecimento, como de arrefecimento, o novo RCCTE teve de ser actualizado de forma a limitar PÁGINA 96 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

114 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios efectivamente o consumo energético destes. Por outro lado, é necessário atentar que a utilização destes sistemas a nível residencial é muito imprevisível, pois mesmo que a habitação possua estes sistemas, nada garante a sua utilização. Assim, foi necessário o recurso a condições interiores padrão, como referência para os consumos energéticos nominais. Assim este regulamento, dependendo da localização do edifício, define deste modo valores de referência (Nt) de forma a limitar as necessidades globais anuais nominais específicas de energia primária (Ntc), o que quer dizer que o valor de Ntc não pode ser superior ao Nt especificado no regulamento. Na equação 4.3 e 4.4 é apresentada a expressão utilizada no RCCTE para a limitação das necessidades globais anuais nominais específicas de energia primária. Equação 4.3 Ntc = 0,1 (Nic/ηi) Fpui+ 0,1 (Nvc/ηv) Fpuv + Nac Fpua (kgep/m 2.ano) com: ηi, ηv rendimento do sistema de aquecimento e arrefecimento, respectivamente; Nic, Nvc, Nac necessidades específicas de aquecimento, arrefecimento e Águas Quentes Sanitárias (AQS), respectivamente (kwh/m 2.ano); Fpui, Fpuv, Fpua - factores de ponderação das necessidades de aquecimento, de arrefecimento e de preparação de AQS, respectivamente (kgep/kwh). Equação 4.4 Nt = 0,9 (0,01 Ni + 0,01 Nv + 0,15 Na) (kgep/m 2.ano) com: Ni, Nv, Na necessidades de referência de aquecimento, arrefecimento e preparação de AQS, respectivamente (kwh/m 2.ano). Por outro lado, foram actualizados vários pormenores em relação ao actual RCCTE, como um zonamento climático reformulado (Figura 4.4), onde foi prevista a influência da proximidade à faixa litoral. As condições de conforto interiores também foram revistas, passando para 20 ºC no Inverno e 25 ºC e 50% de humidade relativa no Verão. A taxa de renovação de ar foi modificada para 0.6 renovações por hora. O consumo de água quente Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 97

115 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE sanitária de referência é de 40 litros de água quente a 60ºC por pessoa e por dia. A contabilização do efeito das pontes térmicas foi modificada. A metodologia de cálculo das Necessidades de aquecimento foi revista, enquanto que a de arrefecimento foi totalmente reformulada. Estas são apenas algumas actualizações e modificações, entre várias outras. A apresentação das metodologias de cálculo das necessidades de aquecimento / arrefecimento é feita de forma pormenorizada no Capítulo 5. Figura 4.4 Zonamento climático no novo RCCTE. Fonte: RCCTE, RSECE O RSECE tem a vertente dos edifícios de serviços ou residenciais, com sistema de climatização. O regulamento actualmente em vigor tinha como objectivo a limitação da potência dos sistemas de climatização. Previa algumas medidas de eficiência energética e também alguns procedimentos para a recepção, instalação e manutenção dos sistemas de climatização. No entanto, este regulamento não teve muito impacto, principalmente devido a PÁGINA 98 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

116 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios não serem requeridas verificações técnicas por parte das Câmaras Municipais. Como tal, o facto referido anteriormente, acrescido do grande aumento da utilização de sistemas de climatização, principalmente no sector residencial devido ao aumento das exigências de conforto interior, torna imprescindível a revisão do actual RSECE, de forma a diminuir o consumo energético resultante dos equipamentos de aquecimento e arrefecimento, registado na última década. Assim, o novo RSECE apresenta quatro objectivos principais: Definir as condições de Qualidade do Ar interior (QAI) necessárias nos espaços, consoante as respectivas actividades e fontes poluentes. Tal é conseguido apresentando os limites permitidos da concentração dos vários poluentes, quer para edifícios residenciais, quer para edifícios de serviços; Limitar o consumo energético global dos edifícios, consoante o tipo de edifícios. Assim, os edifícios estão divididos em: serviços e residenciais, novos ou existentes, pequenos ou grandes. Em termos dos limites impostos para consumos energéticos, estes podem ser obtidos de duas formas, consoante o tipo de edifício: 1. através de um índice de eficiência energética (IEE), o qual pode ser obtido através do modelo apresentado na Figura 4.5; 2. limitando as necessidades de energia nominais máximas a 80 % das permitidas pelo RCCTE. O valor do consumo energético pode ser obtido através de três formas, consoante o tipo de edifício (na Tabela 4.3 é apresentado, de forma resumida o tipo de limite e a forma de cálculo do consumo energético, por tipo de edifícios): 1. auditoria energética; 2. simulação dinâmica detalhada; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 99

117 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 3. simulação dinâmica simplificada; Impor regras para os sistemas de climatização, de forma a melhorar a sua eficiência energética, assim com garantir a qualidade do ar interior. Definir procedimentos de manutenção dos equipamentos adequados; Obrigar à monitorização das práticas de manutenção dos equipamentos dos sistema de climatização. Figura 4.5 Exemplo do modelo de cálculo do Índice de eficiência energética. Fonte: ADENE. Tabela 4.3 Limites e forma de obter os consumos energéticos no RSECE Tipo de Edifício Consumo Energético Limite Serviços Existentes Auditoria Serviços Novos Simulação dinâmica detalhada Serviços; Pequeno Residencial Fonte: RSECE, 2005 Novos Novos Simulação dinâmica simplificada IEE 80% do RCCTE PÁGINA 100 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

118 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios SCE A implementação do Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos edifícios, além de obrigatória devido à Directiva n.º 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Dezembro de 2002, tem grande interesse do ponto de vista da eficiência energética dos edifícios, pois irá obrigar os intervenientes no sector da construção a cumprir o regulamento térmico a que estão sujeitos (RCCTE ou RSECE), resultando na construção de edifícios energeticamente mais eficientes e garantindo o conforto térmico e a qualidade do ar interior. A certificação energética também irá beneficiar os utentes, pois será obrigatório os edifícios possuírem um certificado identificando o nível de performance energética (escala do A ao H, sendo o A o mais eficiente, como é possível observar na Figura 4.6). Tal já se verifica nos frigoríficos, congeladores, etc. Figura 4.6 Certificado energético dos edifícios. Fonte: DGGE Os alvos do SCE são os edifícios novos, edifícios com grandes intervenções de reabilitação, grandes edifícios públicos e todos os edifícios para venda, locação ou aluguer. Em termos de objectivos, é possível identificar quatro: Assegurar o cumprimento do RCCTE e RSECE e a qualidade do ar interior, para que seja possível emitir licenças de construção e utilização; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 101

119 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Inspeccionar os edifícios de serviços durante o seu funcionamento normal, de forma a assegurar a qualidade do ar interior, onde o tempo entre inspecções depende do tipo e dimensão do edifício; Obter os consumos energéticos dos edifícios existentes; dependendo do tipo de edifício, tal pode ser feito de forma nominal ou de utilização real; Identificar as necessidades, do edifício e respectivo sistema de climatização de efectuar medidas correctivas, de forma a melhorar a sua performance energética ou de qualidade do ar interior. Em relação às condições de qualidade do ar interior, se for verificado que não apresenta a qualidade requerida, são sempre necessárias medidas correctivas; enquanto que no caso da performance energética apenas são necessárias medidas correctivas se estas apresentarem viabilidade económica PROGRAMAS DE INCENTIVOS Além da implementação dos regulamentos térmicos do edifícios, uma medida governamental que pode ajudar sobremaneira ao aumento da eficiência energética dos edifícios é a introdução de fortes programas de incentivos que aliciem arquitectos e engenheiros na realização de edifícios com baixos consumos energéticos. No Canadá foi implementado um programa de incentivos que consiste em duas fases (Beausoleil-Morrison et al, 2001): O primeiro passo é a utilização de uma ferramenta on-line onde se introduz a localização geográfica do edifício, tipo de edifício, área útil, áreas e valor do coeficiente de transmissão térmica da envolvente, tipo de sistema AVAC, eficiência do sistema de aquecimento e arrefecimento, taxa de renovação de ar horária, potência da iluminação artificial e tipo de iluminação natural, custo dos combustíveis e electricidade. Com esta ferramenta é obtido o consumo energético estimado, onde se refere as probabilidades de obter o incentivo, assim como o valor do incentivo previsto para o projecto (Figura 4.7); PÁGINA 102 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

120 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Figura Ilustração da ferramenta online para obtenção do subsídio. Fonte: NRC- CPIB Natural Resources of Canada. O segundo passo é a utilização de um software de simulação energética detalhado. Este simulador tem dois componentes: uma interface gráfica onde se caracteriza o edifício e sistemas integrados, um processador de regras onde se verifica se o edifício cumpre todos os requisitos mínimos e se os sistemas estão bem dimensionados. O resultado final da aplicação desta ferramenta é, então, o valor do incentivo a atribuir ao edifício. Este tipo de acções são bastante benéficas, pois obrigam os intervenientes do projecto a utilizar estas ferramentas de simulação de forma a encontrar as soluções energeticamente mais eficientes (Beausoleil-Morrison et al, 2001). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 103

121 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 4.4. SOLUÇÕES ENERGETICAMENTE EFICIENTES O parque de edifícios é um factor chave em termos ambientais. Os edifícios estão omnipresentes e apresentam consumos energéticos para aquecimento, arrefecimento e iluminação. Nos países pertencentes à Organização de Cooperação Económica e Desenvolvimento (OCDE), o sector residencial abarca 1/3 das necessidades energéticas. Assim, devido aos problemas ambientais já referidos e de acordo com os princípios do Desenvolvimento Sustentável, é muito importante que os edifícios sejam projectados considerando a sua integração com o meio ambiente (forma, orientação, etc.) e se implementem tecnologias energeticamente sustentáveis, para fazer frente aos problemas do consumo energético, como o custo, depleção dos materiais, emissão de gases de efeito de estufa, etc. A implementação de novas tecnologias não depende apenas da sua viabilidade económica, mas também da estética, facilidade de uso e aceitação do mercado e até da possibilidade de utilização em reabilitações. Com o avanço das tecnologias de iluminação natural, ventilação, células fotovoltaicas e materiais de mudança de fase, a sua implementação com sucesso apenas é possível com um design cuidadoso e avaliação científica (West, 2001) FORMA E ORIENTAÇÃO DO EDIFÍCIO Ao projectar edifícios com vista à eficiência energética, o primeiro passo é a determinação da correcta forma e orientação do edifício. Apenas com a realização deste ponto é possível atingir reduções do consumo energético entre 30 a 40%. A correcta organização espacial do edifício tem de ser conseguida inicialmente, pois, posteriormente à construção do edifício não é viável, económica nem ambientalmente, a alteração da organização. Assim, é necessário ter em conta que: Compartimentos com necessidades energéticas elevadas devem ser colocados a Sul, para beneficiarem mais profundamente do efeito do sol; PÁGINA 104 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

122 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Compartimentos com necessidades energéticas intermédias, podem ser colocados em orientações menos favoráveis, como Este e Oeste; Compartimentos com necessidades energéticas reduzidas devem ser colocados a Norte, servindo assim de espaço tampão. A forma do edifício deve ser tal que minimize os ganhos térmicos no Verão e perdas de calor no Inverno. Como tal, para Portugal, os edifícios devem ser alongados no eixo Este-Oeste, de forma a beneficiarem de grandes fachadas a Sul, as quais recebem três vezes mais radiação solar no Inverno, enquanto que no Verão recebem três vezes menos radiação solar, do que as fachadas a Este e Oeste. Outras considerações a ter com a forma do edifício podem ser o baixo ratio superfície / volume, redução da área superficial exposta a norte e a ventos fortes. Por outro lado, é importante a construção de edifícios com envolventes de boa qualidade, mesmo que estas apresentem um maior custo inicial. Com a redução das necessidades de aquecimento e arrefecimento e iluminação, o período de amortização deste investimento pode ser relativamente curto (A Green Vitruvius, 1999) SISTEMAS SOLARES PASSIVOS PARA AQUECIMENTO Considerando que o aquecimento dos edifícios residenciais em Portugal representa 25% dos consumos energéticos do sector dos edifícios, a redução das necessidades de aquecimento é essencial para o aumento da sustentabilidade dos edifícios. Os sistemas de aquecimento convencionais utilizam maioritariamente fontes energéticas não renováveis, de forma a fornecer o calor necessário para o aquecimento da habitação. Já um sistema solar passivo apenas utiliza a energia do sol, de forma a fornecer, total ou parcialmente, o calor necessário para o aquecimento. Este tipo de sistema tira partido dos elementos construtivos dos edifícios, como as janelas, paredes, pavimento e cobertura, com o intuito de desempenharem funções de recolha, armazenamento, utilização e distribuição da energia solar. Os sistemas solares passivos podem ser divididos em (Teixeira, 1984; Lanham, Gama e Braz, 2004): Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 105

123 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Sistemas de ganho directo são os sistemas mais simples e vulgarmente utilizados. Neste sistema a radiação solar é captada por um envidraçado, normalmente virado a sul. Para o aumento da eficiência destes sistema é normal a utilização de massa térmica para armazenar a radiação solar em excesso durante o dia, libertando-a durante a noite, quando é mais necessária, como mostra a Figura 4.8. Não obstante este ser um sistema muito simples, pode ser muito eficiente, principalmente quando bem projectado e também devido ao avanço na tecnologia dos materiais de construção os envidraçados estão cada vez mais eficientes, com maior resistência térmica e possibilidade de alterarem o factor solar consoante a radiação incidente; Sistemas de ganho indirecto os sistemas de ganho indirecto diferem do anterior na medida em que a radiação solar não atinge directamente o compartimento, mas sim um espaço intermédio. Os ganhos de calor ocorrem através da condução pela superfície, ou convecção, no caso da abertura de orifícios entre eles. Neste caso a retenção da energia solar no espaço intermédio é a partir do efeito de estufa. Exemplos deste tipo de sistema são as paredes com efeito do estufa, parede de Trombe (Figura 4.9), estufas, entre outras. Sistemas de ganho isolado este tipo de sistema é em tudo semelhante ao sistema de ganho indirecto, mas neste caso existe uma separação entre o espaço de armazenamento térmico e o espaço a ser aquecido. Esta separação pode ser física ou através da colocação de isolamento entre o compartimento e o espaço intermédio, onde a transferência de calor se dá através da convecção natural. Exemplos deste tipo de sistema são os sistemas de Termo-sifão (Figura 4.10) ou estufas, onde a parede de separação é isolada. PÁGINA 106 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

124 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Figura 4.8 Sistema solar passivo de ganho directo com armazenamento térmico. Figura 4.9 Sistema solar passivo de ganho indirecto Parede de Trombe. Figura 4.10 Sistema solar passivo de ganho isolado Termo-sifão. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 107

125 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE SISTEMAS PASSIVOS PARA ARREFECIMENTO Mesmo tendo em conta que a maior parte da energia utilizada nos edifícios é para aquecimento, a utilização de ar condicionado está a aumentar substancialmente. Com tal, a fracção energética consumida pelos edifícios está a aumentar. Para promover o arrefecimento passivo, Givoni identifica várias técnicas passivas, tais como a ventilação natural (especialmente o esforço para arrefecer a massa térmica dos edifícios durante a noite), o arrefecimento evaporativo, arrefecimento radiativo, etc (Givoni, 1998). Outras técnicas para reduzir as cargas de arrefecimento incluem o controlo dos ganhos solares através das paredes, envidraçados e coberturas (pode ser conseguido a partir do sombreamento e aplicação de isolamento) e a utilização de equipamento de arrefecimento eficiente. Os sistemas de arrefecimento passivos podem ser uma forma muito eficiente de reduzir os consumos energéticos dos edifícios. Estes sistemas transferem o calor do edifício para a atmosfera ou para a terra, com nenhuma ou pouca utilização de sistemas mecânicos. Podem ser agrupados em cinco tipos: 1. Ventilação de conforto diurna estes é o sistema passivo mais utilizado, onde se proporciona um fluxo de ar exterior durante o dia, removendo directamente os ganhos de calor. Assim, através do aumento da transferência de calor convenctiva e evaporativa e da diminuição da temperatura interior, obtém-se o conforto térmico. É necessário ter atenção que a velocidade do ar interior não deve ultrapassar os 2 m/s. Na Figura 4.12 é possível observar a implementação de um sistema de ventilação de conforto diurna, através da aplicação da ventilação cruzada; 2. Ventilação nocturna este sistema utiliza o ar frio nocturno para arrefecer a massa térmica interior. A massa térmica absorve os ganhos de calor durante o dia. De forma a reduzir os ganhos de calor, os envidraçados devem estar fechados durante o dia. Muitas vezes utilizam-se ventiladores de tecto para aumentar as trocas de calor entre os ocupantes e a massa térmica. Neste sistema, quanto menor for a temperatura nocturna mais eficiente é o sistema. PÁGINA 108 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

126 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios 3. Arrefecimento evaporativo este sistema reduz a temperatura do ar de ventilação através da evaporação da água. Se for um sistema directo, o processo evaporativo arrefece a temperatura do ar e aumenta a humidade. Sistemas indirectos fornecem água fria, de forma a arrefecer a temperatura do ar através de um permutador de calor. Este tipo de sistemas apenas é eficiente em climas secos. Um exemplo de um sistema deste tipo é o roof-spaying, onde através de um jacto de água projectado do telhado, é criada uma cortina de ar frio na fachada do edifício, promovendo o arrefecimento, como mostra a Figura 4.13; 4. Arrefecimento radiativo estes sistemas removem o calor dos elementos exteriores do edifício através da troca de radiação entre estes e o céu. Um exemplo deste sistema pode ser observado na Figura 4.11; 5. Arrefecimento acoplado de terra aqui a terra funciona como um dissipador de calor, devido a, normalmente, a terra estar a uma temperatura inferior à exterior. É utilizado um sistema mecânico para transferir os ganhos de calor do edifício para a terra. Figura 4.11 Arrefecimento radiativo sistema com isolamento de tecto amovível. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 109

127 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 4.13 Sistema de ventilação de conforto diurna ventilação cruzada Figura 4.13 Arrefecimento evaporativo roof-spaying. Fonte: M. Leandro Os sistemas de ventilação para arrefecimento consomem menos energia, requerem menor manutenção, têm menores custos iniciais e são amigos do ambiente, quando se compara com os sistemas de climatização. Somente necessitam de um maior esforço de projecto e de simulações eficientes, de forma a garantir que proporcionem o conforto térmico. Os níveis de ventilação, além de dependerem da geometria do edifício, também dependem do microclima apenas com um esforço acrescido de modelação e simulação é possível prever o fluxo de ar por ventilação natural, e respectiva estimação da transferência de calor (pois o processo dominante é muitas vezes a convecção de que dependem da velocidade do ar). Carrilho da Graça sugere a utilização de modelos computacionais de dinâmica de fluidos para uma mais eficiente estimação do fluxo de ar (Ver artigo de Carrilho da Graça et al, 2001). Ao projectar um edifício, de forma a optimizar a ventilação natural, têm de se estudar os seguintes aspectos: PÁGINA 110 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

128 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios forma dos edifícios: distribuição dos espaços; dimensão e localização das aberturas; características e quantidade da massa térmica; interacção com o sistema AVAC; dispositivos de sombreamento; resistência térmica e capacidade calorífica da envolvente exterior do edifício. O controlo do sistema de ventilação deverá ser manual. Mesmo com a implementação de sistemas de controlo automático, é sempre necessário que manualmente se possa cancelar as suas ordens CONSIDERAÇÕES SOBRE ALGUMAS SOLUÇÕES Ventilação de conforto diurna Num estudo efectuado por Kindangen, este observou que, no Verão, um pequeno incremento na velocidade do ar, a partir de ar calmo, melhora significativamente as condições de conforto. Contudo, se o ar não se encontrar calmo, um pequeno aumento na velocidade deste não irá resultar num aumento significativo das condições de conforto (Kindangen, 1997). A ventilação de conforto diurna resulta em temperaturas interiores muito próximas da temperatura exterior. Como tal apenas é proveitoso utilizar esta técnica se, com a temperatura exterior, for possível atingir o conforto térmico. Adicionalmente, o aumento da velocidade do ar aumenta a taxa de evaporação, podendo-se atingir o conforto térmico a temperaturas mais elevadas do que seria de prever. Como tal, a ventilação é um meio de minimizar o efeito psicológico das altas humidades relativas e para aumentar as perdas de calor convectivas. Estudos realizados em Portugal concluíram que este possui grande potencial de poupança energética pela aplicação da ventilação de conforto diurna, como se pode observar na Figura 4.14 (Allard, 1998). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 111

129 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 4.14 potencial de poupança energética pela aplicação da ventilação em Portugal. Fonte: Allard, A aplicação da ventilação natural em habitações uni-familiares é bastante simples, com um adequado projecto e localização das aberturas, de forma a maximizar o diferencial de pressões. Também é bastante simples a utilização do efeito de estratificação do ar, devido à diferença de temperaturas e pressões, com recurso a aberturas no telhado ou chaminés solares, de forma a aumentar o potencial de ventilação. Em edifícios multi-familiares, a ventilação de conforto diurna pode ser uma das únicas forma eficientes de ventilação natural, contando que os apartamentos possuem paredes exteriores em lados opostos do edifício. Por outro lado, em compartimentos com apenas uma parede exterior, também é possível aplicar a ventilação natural. Tal é conseguido com recurso à colocação de duas janelas na mesma fachada e utilização dos gradientes de pressão criados. Mas, de forma a potenciar os gradientes de pressão, são necessárias algumas modificações de design, como a integração das chamadas Paredes-asa, que são pequenas projecções arquitectónicas, em relação ao compartimento, como se pode observar na Figura 4.15 (Givoni, 1998). PÁGINA 112 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

130 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Figura 4.15 configurações de paredes-asa. Fonte: Givoni, Ventilação nocturna A partir do estudo de Carrilho da Graça é possível verificar que o arrefecimento passivo por ventilação nocturna é potencialmente bastante eficiente, podendo promover a redução de horas de desconforto térmico em cerca de 57%, mas é apenas aplicável em zonas com grandes amplitudes térmicas diárias. Ao analisar a integração da ventilação nocturna num edifício, é necessário analisar alguns pontos cruciais (Carrilho da Graça, 2001; Tzikopoulos, Karatza, e Paravantis, 2005; Glicksman, Norford e Greden, 2001): Ventilação natural, híbrida ou mecânica um dos primeiros passos é o cálculo da taxa de renovação de ar prevista para o edifício. O problema é que o cálculo desta taxa é complexo e será necessária a utilização de ferramentas de cálculo; Transferência de calor de forma a simular a ventilação nocturna, é necessário um coeficiente de transferência de calor conventivo bastante preciso, o que pode ser problemático; Armazenamento de calor a capacidade de armazenamento de calor de um compartimento consiste na capacidade de armazenamento de calor utilizável, em termos térmicos, por todas as superfícies fronteira e mobiliário do compartimento. Depende da espessura de cada construção, das suas propriedades térmicas, do período de flutuação Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 113

131 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE da temperatura do ar imperturbado e da transferência de calor superficial. A eficiência de um sistema de ventilação nocturna pode ser avaliada através do estudo da capacidade de armazenamento de calor e dos ganhos e perdas térmicas. Assim, é possível avaliar o efeito da ventilação nocturna através de modelos paramétricos ou ferramentas de simulação. Pfafferott testou a ventilação nocturna de um edifício de escritórios através de uma ferramenta de simulação, onde utilizou medições in-situ para calibrar o modelo. Este conclui que, através da ventilação nocturna, a temperatura interior média reduz cerca de 2-3ºC; enquanto que com a implementação do sombreamento, atinge reduções de 3-4ªC. Com a combinação de ambos, atinge reduções de 5.7ºC (Pfafferott, Herkel e Jäschke, 2003). Estufas A aplicação de estufas pode ser muito útil, pois estas, além de servirem de espaço tampão, também podem ser utilizadas para aplicação de estratégias solares passivas, como o ganho directo ou indirecto, em espaços contíguos à estufa. A estufa, ao actuar como um espaço tampão, vai reduzir as perdas de calor pela envolvente; e mesmo na inexistência de ganhos solares directos é uma solução eficiente. De forma a armazenar a radiação solar captada pela estufa e devolvê-la ao espaço útil, quando este é necessário, podemos recorrer a duas soluções: A introdução de uma parede com massa térmica suficiente para armazenar e distribui-lo posteriormente; A Inserção aberturas na parte inferior e superior da parede de separação entre o espaço útil e a estufa, de forma a usufruir da convecção natural. Por outro lado, a introdução de uma estufa numa fachada exterior, resulta numa redução das exigências dessa fachada, como a utilização de vidro duplo, isolamento, estanqueidade. As estufas devem possuir, pelo menos, dois terços de envidraçados móveis, de forma a promoverem a ventilação natural PÁGINA 114 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

132 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios e evitarem o sobreaquecimento. Deve ser colocado isolamento móvel para proteger os envidraçados durante a noite e reduzirem as perdas térmicas. Não devem ser utilizados sistemas de aquecimento na estufa, pois tal resultará em mais perdas energéticas do que ganhos. Sombreamento Os dispositivos de sombreamento, quando colocados convenientemente, permitem a redução da Iluminância (evitando o encadeamento ou brilho excessivo), dos ganhos solares no Verão e das perdas de calor durante a noite. Ao considerarmos o dispositivo de sombreamento a colocar, é necessário decidir se são exteriores ou interiores: o sombreamento exterior é mais eficiente na redução dos ganhos solares, pois os raios solares são interceptados antes de atingirem os envidraçados. Mas estes dispositivos são normalmente mais dispendiosos na instalação e manutenção; dispositivos interiores são mais económicos e fáceis de ajustar a qualquer situação, protegendo melhor os ocupantes do encadeamento e brilho excessivo; dispositivos instalados no interior de envidraçados duplos, com aberturas de ventilação para o exterior, combinam as vantagens dos dois sistemas anteriores. Por outro lado é também necessário decidir se os dispositivos de sombreamento são móveis ou fixos. Neste campo, normalmente é preferível utilizar dispositivos fixos no exterior e dispositivos móveis no interior. Os dispositivos exteriores são mais utilizados para a protecção da radiação solar e, quando bem projectados, não necessitam de ser móveis; enquanto que os dispositivos interiores são mais apropriados para as questões da iluminação, assim é preferível serem móveis, de forma aos ocupantes ajustarem os dispositivos consoante as suas necessidades (A Green Vitruvius, 1999). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 115

133 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Tubagens horizontais de iluminação A iluminação natural pode resultar em poupanças energéticas substanciais, principalmente em edifícios comerciais de ocupação diurna. Assim, é necessário integrar sistemas de iluminação natural nos edifícios, com vista à sua sustentabilidade. Como exemplo de um desses sistemas temos as tubagens horizontais de luz: aplicadas, maioritariamente, em fachadas cortina, de forma a reduzir os ganhos solares mas proporcionando iluminação natural. Para tal, coloca-se uma tubagem no tecto falso com espelhos, para redireccionar a luz, e filtros com absorção / reflexão de infravermelhos (Figura 4.16); Figura Tubagem de luz horizontal Paredes de terra A construção de edifícios com paredes termicamente eficientes, em que, ao mesmo tempo, não são consumidas grandes quantidades de energia na sua construção ou demolição, é uma forma de promover a redução do consumo energético. As paredes em terra são ambientalmente sustentáveis, devido à grande disponibilidade local, assim como aos baixos consumos energéticos para produção. Para que estas paredes possam ser aceites, é necessário conhecer a sua performance térmica e que esta respeite os regulamentos térmicos em vigor. Uma vantagem deste tipo de paredes é a sua grande massa térmica, o que resulta em pequenas variações de temperatura. De forma a promover uma maior aceitação deste tipo de paredes, é necessário PÁGINA 116 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

134 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios desenvolver as técnicas de produção para uma melhor performance térmica, assim como a obtenção das propriedades térmicas reais deste tipo de parede, de forma a possibilitar a previsão do comportamento dos edifícios a partir de programas de simulação térmica de edifícios (Goodhew e Griffiths, 2005). Materiais de mudança de fase As propriedades termo-físicas dos materiais de construção têm grande influência na performance energética dos edifícios. Considerando o design solar passivo, a capacidade de armazenamento de calor é o parâmetro dominante. Os sistemas pesados tradicionais podem ter problemas de excesso de massa térmica e de custo. Mas combinando materiais de construção tradicionais com uma camada interior composta por materiais de mudança de fase (PCM Phase Change Material) é possível atingir um controlo de temperatura interior (a partir do calor latente de fusão dos materiais PCM) a um custo aceitável. Ao projectar um sistema com materiais PCM, os parâmetros fundamentais a controlar são a temperatura de fusão do material que deverá ser abaixo da temperatura de conforto para o verão, mas o mais próximo possível desta; a temperatura de solidificação que deverá ser acima da temperatura de conforto para o Inverno, mas o mais próximo possível desta; o calor libertado ao solidificar o mais alto possível; e o calor absorvido ao liquefazer o mais alto possível. Os materiais PCM podem ser definidos por duas componentes: um composto químico, orgânico ou inorgânico, que possui uma mudança de fase a uma dada temperatura de operação; e uma estrutura porosa que actua como uma substância que armazena calor. Estes materiais armazenam o calor com a fusão da sua estrutura porosa, absorvendo o calor do espaço. Quando a estrutura se encontra totalmente fundida, o material não armazena mais calor. A libertação do calor dá-se quando a temperatura do espaço é inferior à temperatura de solidificação e o material solidifica progressivamente, libertando todo o calor armazenado para o espaço (Heim e Clarke, 2004). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 117

135 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Fachadas de pele dupla Em edifícios altos, as fachadas de vidro são muitas vezes utilizadas devido ao baixo tempo de aplicação, pouca manutenção e durabilidade. Mas este tipo de construção tem cargas de aquecimento e arrefecimento muito altas. Uma forma de baixar estas cargas é a utilização do sistema de pele dupla de vidro. Este sistema é composto por duas folhas de vidro separadas por um espaço de ar relativamente grande. Assim, o espaço de ar funciona como uma zona tampão que reduz as perdas e proporciona ganhos térmicos devido à radiação solar e devido ao efeito de estratificação do ar. Existe uma boa ventilação dentro do espaço de ar, além de neste sistema ser possível abrir as folhas de vidro de forma a possibilitar a ventilação natural e a ventilação nocturna. Este tipo de sistema facilita também a implementação de sombreadores eficientes no espaço de ar. O grande problema deste tipo de configuração é o seu custo económico é um sistema construtivo ainda não muito utilizado e possui o dobro da quantidade de vidro. Como tal, para utilizar este tipo de sistema é necessário fazer um estudo comparativo entre custos de construção / energia poupada, através de programas de simulação térmica (VisualDOE, Transys, EnergyPlus, etc) e de análise de ciclo de vida (EcoPro, IDEMAT, LCAD). Para climas agressivos, este estudo resulta normalmente em vantagem para a o sistema de pele dupla de vidro, mas para climas amenos, apenas com a simulação prévia é possível encontrar a solução mais económica, em termos de custo, energia e consequências ambientais. Para atingir a solução mais eficiente em termos globais é necessário analisar dois itens específicos; a solução que apresenta o menor consumo energético em termos dos recursos energéticos do país; e a solução cujo custo de ciclo de vida é menor, em termos do proprietário do edifício. Cetiner define um critério de selecção do tipo de pele de vidro a escolher (simples ou dupla), para edifícios de escritório, segundo os item referidos anteriormente (ver artigo Cetiner e Ozkan, 2005). Sistema misto caldeira + massa térmica Na procura de menores consumos energéticos dos edifícios, Stritih testa a eficiência da implementação de um sistema composto por uma caldeira a PÁGINA 118 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

136 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios biomassa e uma unidade de armazenamento térmico. Este sistema pode ser visto como um sistema de cogeração, ou seja, em edifícios onde o aquecimento seja a partir de uma caldeira central, muitas vezes o calor gerado pela caldeira é excessivo para as necessidades do edifício, sendo este excesso de calor é armazenado num unidade armazenadora de calor. Quando a unidade armazenadora se encontrar totalmente carregada, é possível desligar a caldeira e fornecer o calor da unidade de armazenamento ao edifício. Com este sistema é possível aumentar a eficiência energética dos sistemas de aquecimento, uma vez que se reduzem as perdas. O sistema é esquematicamente representado na Figura 4.17 (Stritih e Butala, 2004). Figura 4.17 Esquema de sistema caldeira + armazenador térmico. Fonte: Stritih e Butala, 2004 Sistemas solares para aquecimento a água Os sistemas solares para aquecimento de águas quentes sanitárias têm já grande aplicação no mercado, pelo que o dimensionamento e montagem deste tipo de sistemas é algo já bastante estudado e aplicado com bons resultados. Sabendo que os sistemas solares de aquecimento a água são bastante similares aos para aquecimento de água quentes sanitárias e que funcionam com a água a temperaturas mais baixas, são equipamentos bastante bons aplicar os sistemas de pavimentos radiantes em edifícios residenciais. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 119

137 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE O projecto de um sistema solar de aquecimento deve ser considerado em três partes: 1. Determinação das necessidades de aquecimento e de água quente do edifício; 2. Estimar a fracção dessas necessidades que pode ser coberta pelo sistema solar; 3. Efectuar um estudo económico onde se compare o custo da energia que se irá poupar com o sistema solar, com o custo do sistema solar. Em termos do estudo económico, a variável mais sensível e que mais cuidadosamente deve ser estudada é a área do colector. A partir de um estudo de Martínez com intuito de desenhar e estudar o comportamento de um sistema solar de aquecimento de pavimento radiante numa habitação em Murcia Espanha, verificou-se que nos meses com maiores necessidades de aquecimento (Janeiro e Fevereiro) este sistema cobriu, respectivamente, 42.8% e 34.2% das necessidades de aquecimento (Martinez et al, 2005). Estes resultados demonstram que este tipo de sistema pode ser muito eficiente nas habitações Portuguesas INTEGRAÇÃO DE SOLUÇÕES ENERGETICAMENTE EFICIENTES As decisões sobre a escolha e subsequente integração de componentes energeticamente eficientes nos edifícios necessita de uma cuidadosa reflexão durante a fase de projecto, como o observado na Figura De forma a tornar um edifício energeticamente eficiente é necessário, muitas vezes, avaliar objectivos contraditórios relativamente à performance do edifício, como o conforto térmico e a qualidade do ar interior. Assim, as ferramentas de simulação dos edifícios, aparentam ser um instrumento muito importante, para uma apropriada integração de componentes energeticamente eficientes nos edifícios. Estas ferramentas podem fornecer informação detalhada sobre a performance térmica dos edifícios que ainda estão em fase de projecto, permitindo assim comparar diferentes opções de projecto em condições PÁGINA 120 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

138 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios semelhantes. No entanto, o uso generalizado destas ferramentas computacionais não tem ocorrido. As tecnologias inovadoras são aplicadas nos edifícios sem nenhuma, ou pouca, avaliação prévia através de ferramentas de simulação, o que poderá levar ao seu mau aproveitamento e consequentemente a denegrirem estas tecnologias. Figura 4.18 Introdução de soluções energeticamente eficientes. Fonte: West, Os edifícios estão, cada vez mais, sujeitos a regulamentos com requisitos de performance quantificáveis, o que requer uma mais intensiva utilização de ferramentas computacionais, de forma a garantir que o edifício cumpra esses mesmos requisitos. Ao longo dos últimos anos, os esforços para integrar a simulação computacional dos edifícios durante a fase de projecto tiveram bastantes problemas: Indisponibilidade de ferramentas computacionais adequadas, ou seja, as ferramentas existentes não davam resposta aos problemas específicos encontrados no projecto; Descrença dos resultados obtidos pelas ferramentas computacionais, podendo também os resultados computacionais não serem úteis numa fase de projecto; Alto grau de conhecimento necessário para a utilização das ferramentas de simulação de edifícios; Custos associados à compra e utilização destas ferramentas; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 121

139 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Problemas de partilha de informação entre o projecto e a simulação. A partir de diversos casos de estudo, é possível observar que a selecção das componentes energeticamente eficientes para os edifícios ocorrem maioritariamente na fase de projecto conceptual. No entanto, estes componentes são escolhidos graças à prévia utilização noutros projectos. Assim, normalmente não são efectuadas comparações entre a performance de várias alternativas. A simulação de edifícios é utilizada maioritariamente depois da fase de projecto conceptual e apenas para verificar se a performance energética corresponde às expectativas. Assim, para projectar edifícios energeticamente eficientes é necessário utilizar as ferramentas computacionais logo desde a fase de projecto conceptual. Enquanto a escolha de componentes energeticamente eficientes não for suportada por dados computacionais significativos, as decisões serão sempre tomadas de forma intuitiva. Actualmente, a maior parte destes problemas já estão ultrapassados, existindo ferramentas de simulação de edifícios criadas para responderem a problemas específicos, com resultados comprovados. Estas ferramentas podem ser desde muito simples a muito complexas, dependendo do que é pretendido. Adicionalmente existe já uma grande aposta na formação nesta área, existindo já um vasto número de consultores externos. Várias ferramentas computacionais são gratuitas e cada vez mais com uma maior interoperabilidade entre elas. Para escolher componentes energeticamente eficientes, é conveniente seguir o seguinte procedimento (Wilde e Voorden, 2004): definição de um espaço de opções onde estão identificadas as combinações entre os componentes energeticamente eficientes e o design dos edifícios, que apresentam melhores resultados; Identificação das funções mais relevantes de todas as opções de design, de forma a encontrar critérios de selecção relevantes; PÁGINA 122 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

140 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Especificação de Indicadores de Performance (IPs) objectivos, requisitos e restrições. Os IPs permitem quantificar a performance de cada opção de design; Cálculo dos IPs para todas as opções de design do edifício. Neste ponto as melhores ferramentas a utilizar são as computacionais; Avaliação da performance final, onde é executada uma média pesada que contabiliza a performance individual de cada opção de design. Relativamente à informação necessária para a escolha dos componentes energeticamente eficientes, podemos dividi-la em 5 parâmetros: 1. Descrição geométrica do design do edifício por exemplo a partir de sistemas CAD; 2. Componentes energeticamente eficientes existentes no mercado e sua funções associadas; 3. IPs existentes que possam avaliar na totalidade as respectivas funções; 4. Informação sobre a performance das diversas opções pode ser obtida a partir de ferramentas computacionais de simulação energética de edifícios; 5. Informações sobre os factores preferenciais, os quais são necessários para decidir quais as melhores opções a utilizar no projecto ANÁLISE DA PERFORMANCE DE EDIFÍCIOS SUSTENTÁVEIS NA EUROPA Foi realizado um estudo onde foram caracterizados 77 edifícios Europeus construídos com princípios bioclimáticos, em termos de eficiência energética. Por outro lado, foi analisada a eficiência da integração de várias técnicas solares passivas. Com este estudo, é possível concluir que os edifícios bioclimáticos em Portugal têm uma eficiência energética de 66,7% (Figura 4.19), o que coloca Portugal num bom nível, comparativamente a outros Países da Europa. Também é verificado que a inclusão nos edifícios das Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 123

141 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE técnicas solares passivas de ganho directo (Figura 4.20), sombreamento e água quente solar, aumenta a eficiência energética destes edifícios, enquanto que as paredes de armazenamento térmico, ventilação natural e estufas reduzem a eficiência energética dos mesmos. No caso das paredes de armazenamento térmico, o problema poderá ser devido a um mau dimensionamento. Em relação às estufas e à ventilação natural, estas poderiam não ter o controlo adequado, o que resulta, obviamente, num comportamento que não seria benéfico para a performance energética dos edifícios. Como tal, também é possível concluir que a forma como o edifício é utilizado determina a sua eficiência energética. Quando os utilizadores são descuidados, a poupança energética não é conseguida. Como tal, apenas utilizadores educados e informados convenientemente podem ajudar a baixar o consumo energético dos edifícios (Tzikopoulos, Karatza e. Paravantis, 2005). Figura 4.19 Eficiência energética de edifícios bioclimáticos, na Europa Figura 4.20 Eficiência energética da solução de ganho directo Fonte: Tzikopoulos, Karatza e Paravantis, REABILITAÇÃO DE EDIFÍCIOS A reabilitação de edifícios pode ser entendida como um melhoramento na qualidade do edifício, comparativamente com a que este apresentava inicialmente. Mas existem outras operações que, de uma forma ou de outra, PÁGINA 124 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

142 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios são importantes para a manutenção ou aumento da performance energética dos edifícios: Conservação ou Manutenção: Operação destinada a conferir a edifícios não degradados uma qualidade equivalente à inicial; Recuperação: Operação sobre edifícios degradados devido à não realização de obras de conservação com a periodicidade devida; Beneficiação: Operação que confere a edifícios degradados uma qualidade superior à que tinham aquando da sua construção. Podem ser apresentados dois pontos cruciais, para a importância da reabilitação do parque de edifícios existente: 1. no passado, a construção de edifícios não tinha em conta a sua optimização energética, nem a minimização dos seus efeitos ambientais. Considerando que o ciclo de vida dos edifícios e dos seus componentes é muito elevado (ver Tabela 4.4), uma grande parte dos edifícios existentes encontram-se nessas condições; 2. a idade dos edifícios é um factor determinante para a performance global dos edifícios, pois quantos mais antigos, mais deteriorados estão e menores performances energéticas apresentam. Mas os ocupantes desses edifícios desejam níveis de conforto similares aos das habitações mais recentes, utilizando para isso muito mais energia. Por exemplo, o consumo energético para aquecimento é fortemente influenciado pela idade do sistema central de aquecimento correlação de 0,83, pela idade do edifício correlação de 0,57, pela idade do sistema de distribuição correlação de 0,43 e pela idade dos terminais de aquecimento correlação de 0,19. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 125

143 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Tabela 4.4 Ciclo de vida de alguns componentes dos edifícios. Elemento do edifício Ciclo de vida *Base de Dados **Estimado - ENVOLVENTE Janelas Portas Portas de Garagem Clarabóias Coberturas Tubos de queda INTERIORES Portas Pavimentos Canalização Tubos AVAC Caldeiras Radiadores Tubos *Base de dados INVESTIMMO Projecto Europeu para a renovação de edifícios **Estimações a partir de modelos de deterioração software INVESTIMMO Fonte: Balaras et al, 2005 Como tal, é possível concluir que a protecção e reabilitação do património edificado, além de ser culturalmente positivo, também poderá ser economicamente atractivo, pois os custos de reabilitação são muito inferiores aos custos de demolição e reconstrução. Adicionalmente, se os princípios de sustentabilidade foram aplicados, as reabilitações são muito atractivas, aumentando a performance dos edifícios existentes (Balaras et al, 2005). Um estudo muito interessante na área da deterioração dos edifícios foi realizado por Balaras, que apresenta as causas que têm maior importância para a deterioração dos edifícios, como é possível observar na Figura Assim, é possível conhecer os pontos que têm de ser analisados com maior cuidado, durante o projecto de um edifício, para que este tenha uma maior vida útil, sem apresentar sinais de degradação. PÁGINA 126 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

144 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios Figura 4.21 causas da deterioração dos edifícios e seu peso. Fonte: Balaras et al, A REABILITAÇÃO EM PORTUGAL O estado de degradação em que se encontra grande parte do parque habitacional do nosso país assume proporções que podem ser consideradas preocupantes. Tal situação provoca uma diminuição da qualidade de vida das populações e uma deterioração do património edificado, enquanto memória colectiva. A palavra Património é sinónimo de herança, que deve ser transmitida às gerações futuras com o intuito de ser preservada e valorizada. Actualmente nos edifícios habitacionais do Património municipal e nacional, a degradação encontrada nos diversos elementos que os constituem deve-se principalmente ao envelhecimento dos vários materiais e componentes, à ausência de manutenções periódicas que assegurem a sua preservação e também devido à sua má concepção e/ou deficiente execução, na sua fase de construção ou em intervenções posteriores. Como causas da degradação do património em geral, podemos considerar: o desaparecimento dos artesãos (que noutros países europeus são valorizados e incentivados); Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 127

145 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE conservação básica dos edifícios inexistente (limpeza dos telhados antes do Inverno, pintura das fachadas e caixilhos, etc.); má gestão do estado, de modo a contemplar no orçamento geral verba para a conservação dos edifícios; intervenções de restauro ou reabilitação mal concebidas; o uso dos edifícios de forma inadequada às suas funções e características. Verifica-se que em Portugal, nos últimos anos apenas 10% do total do investimento é destinado à conservação e recuperação do património edificado ao passo que a média europeia é de cerca de 40%. De um modo geral, Portugal ainda não se encontra sensibilizado para a reabilitação de edifícios. Embora se reconheça a existência de trabalho válido de reabilitação e reconstrução de alguns Monumentos Nacionais e outras construções de grande relevo arquitectónico, muito se poderá e deverá realizar no futuro para enriquecer a leitura do património edificado português. Logo, a tendência será inevitavelmente um aumento de investimento na conservação e recuperação. A sustentar esta tendência, temos a reocupação dos centros urbanos pela população que até há pouco tempo sobrevalorizava em demasia as zonas periféricas das cidades em relação aos centros urbanos. Também o Governo, através de políticas habitacionais, em parceria com as Câmaras Municipais, incentiva o processo de conservação e reabilitação, procurando melhorar as carências habitacionais, investindo em arranjos de espaços sociais dos bairros de arrendamento público, motivando assim a recuperação dos centros urbanos (Silva e Godinho, 2004) FERRAMENTAS DE AVALIAÇÃO DA REABILITAÇÃO A recuperação e reabilitação de edifícios é um fenómeno com cada vez maior peso no sector dos edifícios. Como tal, é normal que ferramentas de avaliação e optimização destes processos surjam no mercado. Uma dessas ferramentas é a EPIQR (Método de requalificação de performance energética PÁGINA 128 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

146 CAPÍTULO 4 Eficiência Energética dos Edifícios e qualidade do ambiente interior), esta ferramenta tem como objectivos que uma requalificação / reabilitação apresente (Martínez, Velázquez e Viedma, 2005): melhoria da qualidade do ambiente interior; optimização de consumo energético; implementação de energia solar; rentabilidade. Esta ferramenta divide o edifício em 50 elementos discretos (paredes, pavimento, cobertura, sistema de aquecimento, etc.) onde para cada um dos elementos é avaliado o estado de degradação (4 estados de degradação), apresentando até 6 possíveis opções para a substituição. Depois de seleccionadas as opções, estas são avaliadas do ponto de vista da qualidade do ambiente interior, consumo energético, custo e medidas de reabilitação. A qualidade do ambiente interior é avaliada em termos de humidade, ruído, conforto térmico, qualidade do ar, iluminação e segurança. Em termos energéticos, é estudado o aquecimento do espaço, águas quentes sanitárias, substituição da caldeira, arrefecimento do espaço, iluminação artificial de espaços comuns, isolamento das tubagens de distribuição para aquecimento e utilização de válvulas termostáticas para radiadores. No custo, é estudada a descrição dos trabalhos de reabilitação, a organização da classificação dos trabalhos e a identificação dos custos associados. Assim, esta é uma ferramenta expedita que procura a eficiência energética dos edifícios através da comparação das várias soluções / problemas. No entanto, é necessário ter em conta que, sendo este um sector em rápido crescimento, estão continuamente a aparecer novas soluções, pelo que é necessário que estas ferramentas sejam regularmente actualizadas (Karlsson, Roos e Karlsson, 2000). Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 129

147 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 5. CAPITULO 5 PREVISÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS 5.1. RCCTE O RCCTE é o actual regulamento Português, aprovado em 1990, onde é imposta a qualidade mínima necessária aos edifícios relativamente ao seu comportamento térmico. Considerando que o RCCTE em vigor é já obsoleto, como foi referido no Capítulo 4, foi necessário proceder à sua revisão e actualização. Como tal, foram modificados alguns pormenores, aumentado o nível de exigência, mas mantida a sua estrutura original. Assim, a nova versão do RCCTE, além de promover edifícios energeticamente mais eficientes, com menos patologias devido a condensações e com melhor qualidade de ar interior objectivos do RCCTE, também pode facilitar a possibilidade das empresas da área operarem em diferentes países da Comunidade Europeia, devido à harmonização dos regulamentos térmicos ao nível da Comunidade Europeia. Espera-se que em Janeiro de 2006 esta actualização da regulamentação térmica entre em vigor. Seguidamente será apresentada a PÁGINA 130 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

148 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios estrutura desta versão actualizada do RCCTE, assim como a metodologia de cálculo utilizada para a previsão do comportamento térmico dos edifícios ESTRUTURA DO RCCTE Este Regulamento é composto por 20 artigos e 9 Anexos. Assim, os artigos definem toda a organização do regulamento remetendo para anexo todas as definições, dados climáticos e metodologias de cálculo. Resumidamente os artigos que constituem este regulamento são: 1º Artigo - aqui são expostos quais os objectivos que este regulamento pretende atingir com a sua implementação (estes já foram referidos anteriormente); 2º Artigo - neste ponto é introduzido o âmbito de aplicação do regulamento e excepções prevista. Também é definido o significado de fracção autónoma e grandes remodelações; 3º Artigo - este ponto refere que todas as definições e referências necessárias para a aplicação deste regulamento se encontram no Anexo II; 4º Artigo - aqui são introduzidos os índices utilizados na quantificação energética do edifício Nic; Nvc; Nac; Ntc, assim como os parâmetros complementares a quantificar U (coeficiente de transmissão térmica); inércia do edifício; Factor solar dos envidraçados e taxa de renovação horária; 5º Artigo - este ponto refere que cada fracção autónoma não pode ultrapassar o valor máximo admissível das necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento, Ni, valor este que é fixado no artigo 17.º; 6º Artigo - este artigo é semelhante ao anterior mas relativamente ao valor das necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento, Nv; 7º Artigo - este artigo é semelhante ao anterior, mas relativamente ao valor das necessidades nominais anuais de energia útil para produção Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 131

149 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE de águas quentes sanitárias, Na; além de definir a obrigatoriedade de implementação de um sistema de colectores solares térmicos para águas quentes sanitárias, sempre que haja uma exposição solar adequada; 8º Artigo - este ponto refere que as necessidades nominais globais de energia primária dos edifícios, Ntc, não podem ultrapassar um valor máximo de energia primária, Nt, o qual é fixado no artigo 17º, definido como a soma dos valores máximos determinados nos artigos 5º, 6º e 7º, convertidos para energia primária a partir de Factores de Ponderação, Fpui, Fpuv, Fpua; 9º Artigo - aqui é referido que os valores máximos de Ni e Nv, têm de ser obtidos sem ultrapassar os requisitos mínimos em relação ao coeficiente de transmissão térmica e factor solar, definido no artigo 18º; 10º Artigo - neste ponto refere-se que os edifícios isentos de satisfação dos artigos 5º, 6º e 8º, têm de cumprir os valores máximos de coeficiente de transmissão térmica, área e factor solar dos vãos envidraçados, inércia térmica e protecção solar das coberturas, caso contrário é anulada a isenção referida; 11º Artigo - aqui é referido que os métodos de cálculo a utilizar na obtenção dos valores das necessidades nominais de aquecimento, arrefecimento, águas quentes sanitárias e os parâmetros referidos nos artigos 9º e 10º, são descritos nos anexos IV, V, VI e VII; 12º Artigo - este ponto define as obrigações das entidades com competência para o licenciamento dos edifícios, nos termos da certificação energética e qualidade do ar interior; 13º Artigo - este artigo define a informação mínima necessária que deve conter qualquer pedido de licenciamento, para demonstração do cumprimento deste regulamento; 14º Artigo - aqui define-se quem possui a responsabilidade pela demonstração da conformidade do projecto e da execução da construção com a exigências deste regulamento; PÁGINA 132 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

150 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios 15º Artigo - neste artigo são regulamentadas as violações ao projecto passíveis de serem consideradas contra-ordenações puníveis com coima, assim como o valor das coimas a aplicar; 16º Artigo - este ponto indica as condições interiores de referência das habitações: condições de conforto para estação de aquecimento 20ºC e para a estação de arrefecimento 25ºC e 50% de humidade relativa taxa mínima de renovação do ar 0.6 RPH consumo de referência para água quente sanitária 40 lts de água quente a 60ºC por dia e por pessoa; 17º Artigo - aqui são definidos os valores máximos das necessidades de energia útil para aquecimento, arrefecimento e águas quentes sanitárias. o valor limite de Ni depende do Factor de Forma (FF anexo II do RCCTE) e dos Graus-Dias - base 20ºC 1 (GD anexo III do RCCTE) da seguinte forma: a) para FF 0,5 -> Ni = 4,5 + 0,0395 GD b) para 0,5 < FF 1 -> Ni = 4,5 + (0, ,037 FF) GD c) para 1 < FF 1,5 -> Ni = [4,5 + (0, ,037 FF) GD] (1,2-0,2 FF) d) para FF > 1,5 -> Ni = 4,05 + 0,06885 GD o valor limite de Nv apenas depende da localização: a) Zona V1 (Norte) -> Nv = 16 kwh/m 2.ano b) Zona V1 (Sul) -> Nv = 22 kwh/m 2.ano c) Zona V2 (Norte) -> Nv = 18 kwh/m 2.ano d) Zona V2 (Sul) -> Nv = 32 kwh/m 2.ano e) Zona V3 (Norte) -> Nv = 26 kwh/m 2.ano f) Zona V3 (Sul) -> Nv = 32 kwh/m 2.ano g) Açores -> Nv = 21 kwh/m 2.ano h) Madeira -> Nv = 23 kwh/m 2.ano 1 Valor que representa o somatório das diferenças positivas entre a temperatura base (20ºC) e a temperatura exterior, para a estação de aquecimento. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 133

151 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE o valor limite de Na é obtido pelas Equações 5.1 e 5.2, apresentadas posteriormente, ao ser definido o anexo VI do RCCTE; o valor das necessidades globais anuais nominais específicas de energia primária, Ntc, é obtido pela Equação 4.3 definida no Capítulo 4 desta dissertação; o valor de Ntc não pode ultrapassar um valor de referência das necessidades totais, Nt, o qual já foi definido pela Equação 4.4 do Capítulo 4; 18º Artigo - neste ponto é referido que o valor dos requisitos de qualidade térmica previamente mencionados estão definidos no anexo IX do RCCTE. Também se refere que, para espaços não-úteis, se o valor de τ (definido no anexo IV do RCCTE) for superior a 0.7, o elemento de separação entre o espaço útil e o não-útil têm os mesmos requisitos que um elemento da envolvente exterior; 19º Artigo - aqui são definidos alguns valores limite referidos previamente no regulamento, tal como a área útil de pavimento máxima que isenta uma habitação unifamiliar da demonstração do cumprimento do valor de Na; 20º Artigo - o último artigo apresenta os factores de conversão entre energia útil e primária (Fpu), assim como o rendimento de alguns equipamentos (η). Relativamente aos anexos deste regulamento, estes apresentam-se organizados da seguinte forma: Anexo I - neste ponto são definidos os espaços que podem ser considerados como não-úteis, os quais não são incluídos no cálculo de Nic, Nvc e Ntc; Anexo II - aqui são apresentadas todas as definições consideradas significativas e com importância para uma melhor compreensão do regulamento, além de apresentar a fórmula de cálculo do factor de forma, como se pode observar na Equação 5.1; PÁGINA 134 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

152 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios Equação 5.1 FF = (Aext + Σ (τ Aint)i) / V; Anexo III - este ponto apresenta o zonamento climático por concelhos e zonas climáticas e os dados climáticos de referência, com correcções consoante a altitude do local. Também é apresentada a energia solar média incidente numa superfície vertical durante a estação de aquecimento e os valores médios da temperatura exterior e a intensidade da radiação solar durante a estação de arrefecimento; Anexo IV - neste ponto é definido o método de cálculo das necessidades de aquecimento. Este método está dividido em três parcelas: perdas de calor pela envolvente; perdas de calor por renovação de ar; ganhos úteis. Assim, é apresentado a forma para calcular estas três parcelas, além de serem fornecidas várias folhas de cálculo, assim como várias tabelas necessárias para o cálculo das necessidades de aquecimento. Este ponto será referido mais extensivamente no Capítulo 5.1.2; Anexo V - aqui é definido o método de cálculo das necessidades de arrefecimento. Este método está dividido em quatro parcelas: cargas térmicas pela envolvente; cargas térmicas por renovação de ar; ganhos térmicos devido à radiação solar pelos envidraçados; ganhos térmicos internos. Assim, é apresentada a forma para calcular todas estas parcelas, além de fornecer várias folhas de cálculo, assim como tabelas necessárias para o cálculo das necessidades de arrefecimento. Este ponto será referido mais extensivamente no Capítulo 5.1.2; Anexo VI - neste ponto é definido o método de cálculo das necessidades de energia para preparação de águas quentes sanitárias. Este método é regido pelas Equações 5.2 e 5.3: Equação 5.2 Nac = (Qa / ηa - Esolar - Eren) / Ap (kwh/m 2. ano) com: Qa energia útil dispendida com sistemas convencionais de preparação de AQS; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 135

153 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ηa eficiência de conversão desses sistemas de preparação de AQS; Esolar contribuição de sistemas de colectores solares para o aquecimento de AQS; Eren contribuição de quaisquer outras formas de energias renováveis (solar fotovoltaica, biomassa, eólica, geotérmica, etc.) para a preparação de AQS, bem como de quaisquer formas de recuperação de calor de equipamentos ou de fluidos residuais; Ap área útil de pavimento; Equação 5.3 Qa = 0,081. MAQS. nd (kwh/ano) com: MAQS consumo médio diário de referência de AQS; T aumento de temperatura necessário para preparar as AQS: nd número anual de dias de consumo de AQS. Anexo VII - este ponto apresenta os princípios de cálculo de dois parâmetros térmicos necessários para a aplicação deste regulamento, o Coeficiente de Transmissão Térmica (U) e a Inércia Térmica do Edifício; Anexo VIII - aqui são apresentadas as fichas de preenchimento necessário por forma a obter a licença de construção e utilização das habitações; Anexo IX - neste ponto são definidos os requisitos mínimos que os edifícios têm de respeitar de forma a cumprir este regulamento. Assim, são apresentados os Coeficientes de transmissão térmica máximos admissíveis para zonas correntes e não correntes, o factor solar máximo admissível e os valores de referência para dispensa da verificação detalhada do RCCTE METODOLOGIAS DE AVALIAÇÃO DA PERFORMANCE TÉRMICA DO RCCTE Em termos de performance térmica dos edifícios, o RCCTE apresenta dois parâmetros fundamentais: necessidades de aquecimento e necessidades de arrefecimento. Assim, vão ser apresentadas as metodologias utilizadas pelo PÁGINA 136 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

154 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios RCCTE para a determinação das necessidades de aquecimento e arrefecimento. Cálculo das Necessidades de Aquecimento - Nic O RCCTE considera que as necessidades de aquecimento são obtidas pelo balanço de: 1 perdas de calor pela envolvente (Qt); 2 perdas de calor por renovação de ar (Qv); 3 os ganhos úteis (QGU). Como se pode observar na equação 5.4. Equação 5.4 Nic = (Qt + QV - QGU) / Ap (kwh/m 2. ano) 1 Qt as perdas de calor pela envolvente, Equação 5.5, são consideradas como sendo a soma das perdas por zonas correntes (paredes, envidraçados, pavimento e cobertura) em contacto com o exterior (Qext) ou locais não aquecidos (Qlna), perdas por paredes ou pavimentos em contacto com o solo (Qpe) e perdas por pontes térmicas (Qpt). Equação 5.5 Qt = Qext + Qlna + Qpe + Qpt (kwh/ano) Qext: para calcular este termo é necessário: seleccionar todos elementos em contacto com o exterior; obter a área (Ai) de todos os elementos, medida pelo interior; obter o valor de Graus-Dias (GD) do local (este valor está tabelado no anexo III do RCCTE); calcular o coeficiente de transmissão térmica (Ui) de cada elemento; e utilizar a equação 5.6; Equação 5.6 Q ext N = GD U A (kwh/ano) i= 1 i i Qlna: relativamente a este termo é necessário executar todos os passos referidos para o Qext, mas para elementos em contacto com locais não aquecidos. Por outro lado, é necessário obter um coeficiente que Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 137

155 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE contabilize a razão de amplitude térmica entre o interior e o exterior e a amplitude térmica entre o local não aquecido e o interior (τ) (este valor pode ser obtido recorrendo à Tabela 5.1). Seguidamente, é necessário aplicar a Equação 5.7; Tabela 5.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício Ai/Au (1) Tipo de espaço não-útil 0 a 1 1 a 10 > 10 CIRCULAÇÃO COMUM sem abertura directa para o exterior com abertura a) Área de aberturas permanentes permanente para o /volume total < 0,05 m2/m3 exterior (p.ex.,para ventilação ou b) Área de aberturas permanentes desenfumagem) /volume total ³ 0,05 m2/m3 ESPAÇOS COMERCIAIS EDIFÍCIOS ADJACENTES ARMAZÉNS GARAGENS a) Privada b) Colectiva c) Pública VARANDAS, MARQUISES E SIMILARES COBERTURAS SOBRE DESVÃO NÃO HABITADO (ACESSÍVEL OU NÃO) a) Desvão não ventilado b) Desvão fracamente ventilado c) Desvão fortemente ventilado 1 (1) Ai - área do elemento que separa o espaço útil interior do espaço não-útil Au - área do elemento que separa o espaço não-útil do ambiente exterior Equação 5.7 N Qln a = GD Ui Ai τ (kwh/ano) i= 1 Qpe: para obter este termo é necessário: seleccionar todos os elementos em contacto com o terreno; obter o perímetro (B) do(s) elemento(s) em contacto com o terreno, medido pelo interior; obter o valor de Graus- Dias (GD) do local; obter o coeficiente de transmissão térmica linear (ϕ ) de cada elemento (este valor está tabelado no anexo IV do RCCTE, tabela IV.2, onde são apresentado alguns exemplos); e utilizar a equação 5.8; PÁGINA 138 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

156 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios Equação 5.8 Q pe N = GD ϕ B (kwh/ano) i= 1 i i Qpt: por último é necessário obter este termo, sendo necessário: seleccionar todas as pontes térmicas (normalmente são ligações entre elemento; obter o valor de Graus-Dias (GD) do local; obter o perímetro (B) das pontes térmicas; obter o coeficiente de transmissão térmica linear (ϕ ) de cada ponte térmica (este valor está tabelado no anexo IV do RCCTE, tabela IV.3, onde são apresentado os casos mais comuns), na figura 5.1 é apresentado um exemplo de ponte térmica; e utilizar a Equação 5.9. Figura 5.1 Exemplo do cálculo do coeficiente de transmissão térmica linear (ϕ ) de uma ponte térmica. Fonte: RCCTE, Equação 5.9 Q pt N = GD ϕ B (kwh/ano) i= 1 i i 2 QV as perdas de calor por renovação de ar por ventilação natural pode ser obtida a partir de cálculo da área útil de pavimento (AP); obtenção do pé-direito (Pd); obtenção do valor de Graus-Dias (GD) do local; cálculo da taxa de renovação do ar horária (Rph). Pode-se adoptar como valor de Rph 0.6 h -1, no caso do edifício estar conforme a norma NP Caso contrário, é necessário utilizar o Quadro IV.1 do Anexo IV do RCCTE; e utilizar a Equação Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 139

157 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Equação 5.10 Q GD ( A P R 0.34) (kwh/ano) V = P d ph Em edifícios que utilizem ventilação mecânica, a taxa de renovação horária depende do valor mais alto entre a taxa de insuflação e a de extracção. Para sistemas de caudal variável, utiliza-se o caudal médio diário. 3 QGU os ganhos úteis são obtidos através do produto dos ganhos brutos (QG) com o factor de utilização dos ganhos (η), como mostra a Equação Para obter o termo QG é necessário calcular os ganhos internos (QGi) e os ganhos solares (QS) Equação Enquanto que para obter o η é necessário calcular a inércia térmica do edifício e aplicar o seu factor associado (a) e um factor que relaciona os ganhos térmicos com as perdas térmicas do edifício (γ) Equação Equação 5.11 Q Q η (kwh) GU = G Equação 5.12 Q = Q + Q (kwh) G S I Equação 5.13 a 1 γ η = γ a+ 1 γ 1 a η = γ = 1 a Qi: este termo pode ser calculado a partir de: obtenção da área útil de pavimento (AP); duração média da estação de aquecimento (M), a qual se encontra no Anexo III do RCCTE; ganhos térmicos internos médios por área útil (qi) (este valor pode ser obtido pela consulta da Tabela 5.2); e aplicação da Equação 5.14; Tabela 5.2 Ganhos térmicos internos médios por tipo de edifícios TIPO DE EDIFÍCIO qi (W/m 2 ) Residencial 4 Escritórios; Comércio; Restauração; Consultórios; Serviços de Saúde; etc 7 Hotéis 4 Outros edifícios com pequena carga de ocupação 2 Equação 5.14 Q q M A (kwh) I = i P PÁGINA 140 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

158 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios QS: de forma a calcular este termo, é necessário: conhecer o valor médio mensal da energia solar média incidente numa superfície vertical orientada a sul (Gsul kwh/m 2.mês) (este valor pode ser conhecido através de consulta à Tabela 5.4); obter o factor de orientação (Xj), ver Tabela 5.3; conhecer a duração média da estação de aquecimento (M), a qual se encontra no Anexo III do RCCTE; determinar a área efectiva da superfície n que recebe radiação solar na orientação j (Asnj) (este valor pode ser obtido utilizando a Equação 5.16); e aplicação da Equação 5.15; Tabela 5.3 Factor de orientação ORIENTAÇÃO N NE e NW E e W SE e SW S Horizontal Xj Tabela 5.4 Energia solar média incidente por zona climática ZONA ENERGIA SOLAR MÉDIA INCIDENTE NUMA SUPERFÍCIE VERTICAL ORIENTADA A SUL - GSUL (kwh/m 2.mês) I1 - Continente 108 Açores 70 Madeira 100 I2 - Continente 93 Açores 50 Madeira 80 I3 - Continente 90 Açores 50 Madeira 80 Equação 5.15 X j ASnj Q S = Gsul M (kwh) j n Equação 5.16 A = A F F F g Snj e S g w (m 2 ) com: Ae área do envidraçado (m 2 ); FS factor de obstrução este factor contabiliza a redução da transmissão de radiação solar devido a vários obstáculos, utilizar Equação 5.17; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 141

159 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Fg factor fracção envidraçada este factor entra com a redução da transmissão de radiação solar devido ao caixilho do envidraçado, ver Tabela 5.5; Fw factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados este factor é de 0.9 para vidro simples e duplos, enquanto que para vidros especiais é necessário utilizar os valores fornecidos pelos fabricantes; g factor solar da superfície este valor pode ser obtido consultando a Tabela IV.4.1 e IV.4.2 do RCCTE, relativamente a superfícies de vidro ou de plástico, respectivamente. Tabela 5.5 Factor de fracção envidraçada CAIXILHO TIPO DE CAIXILHARIA S/ quadrícula C/ quadrícula Alumínio ou Aço Madeira ou PVC Fachada Cortina Equação 5.17 F = F F0 F com: S h f Fh factor obstrução por obstáculos exteriores ao edifício, utilizar Tabela IV.5 do RCCTE, atentado para que o ângulo de horizonte (α) é o ângulo formado entre o ponto médio do vão envidraçado e o obstáculo em questão; F0 factor obstrução por elemento horizontais sobrepostos ao envidraçado, como palas e varandas, utilizar Tabela IV.6 do RCCTE, atentado para que o ângulo da pala (α) é o ângulo formado entre o ponto médio do vão envidraçado e a extremidade da pala; Ff factor obstrução por elemento verticais adjacentes ao envidraçado, como palas e corpo do edifício, utilizar Tabela IV.7 do RCCTE, atentado para que o ângulo da pala (α) é o ângulo formado entre o ponto médio do vão envidraçado e a extremidade da pala. Calculando os factores Xj, Fh, F0, e Ff, é necessário garantir que o produto de todos estes factores é sempre igual ou superior a PÁGINA 142 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

160 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios γ : para obter este termo, apenas é necessário aplicar a Equação 5.18, com todos os termos já previamente definidos; Equação 5.18 Ganhos Qg γ = = Perdas Q + Q t V a: este termo depende da inércia térmica do edifício da seguinte forma inércia térmica fraca => a = 1.8; inércia térmica média => a = 2.6; inércia térmica forte => a = 4.2. De forma a obter a Inércia Térmica do edifício, o RCCTE sugere o seguinte procedimento: 1. Calcular a massa dos elementos exteriores, em contacto com outra fracção ou espaço não-útil, sabendo que se o elemento não possuir isolamento térmico, a massa superficial útil (Msi) é metade da massa total do elemento (mt); enquanto que se o elemento possuir isolamento térmico Msi = mt, contabiliza-se a massa a partir do isolamento para o interior. Mas em nenhum dos casos a Msi pode ultrapassar os 150 Kg/m 2 ; 2. Calcular a massa dos elementos em contacto com o solo, sabendo que se o elemento não possuir isolamento térmico a massa superficial útil (Msi) é 150 Kg/m 2, enquanto que se o elemento possuir isolamento térmico Msi = mt, contabiliza-se a massa a partir do isolamento para o interior. Mas em nenhum dos casos a Msi pode ultrapassar os 150 Kg/m 2 ; 3. Calcular a massa dos elementos interiores, sabendo que Msi = mt, mas a Msi não pode ultrapassar os 300 Kg/m 2 ; 4. No caso dos elemento contemplados nos Pontos 1 e 2 possuírem revestimentos superficiais com uma resistência térmica compreendida entre 0.14 R 0.5 m 2.ºC/W, é necessário multiplicar a Msi por uma factor correctivo r = 0.5; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 143

161 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 5. No caso dos elemento contemplados no Pontos 3 possuírem revestimentos superficiais com uma resistência térmica superior a 0.14, é necessário multiplicar a Msi por um factor correctivo r = 0.75, quando o revestimento apenas se apresenta numa face do elemento, ou r = 0.5 quando o revestimento se apresente nas duas faces do elemento; 6. Por último é necessário aplicar a Equação 5.19, sabendo que Si é a área superficial interior do elemento. Equação 5.19 Msi Si i I = (Kg/m 2 ); A P Cálculo das Necessidades de Arrefecimento - Nic A metodologia de cálculo proposta pelo RCCTE para as Necessidades de Arrefecimento é muito semelhante à metodologia de cálculo para as necessidades de arrefecimento, mas com algumas adaptações para o Verão. Enquanto que para as necessidades de aquecimento são utilizados os Graus- Dia, para as necessidades de arrefecimento é utilizada a Temperatura ar-sol 2. Por outro lado, estas metodologias referidas são complementares, pois enquanto que para o Inverno os ganhos diminuem as necessidades e as perdas aumentam as necessidades, no Verão passa-se o contrário. A Equação 5.20 é aquela que rege as necessidades de arrefecimento. O factor de utilização dos ganhos (η) é calculado de forma semelhante à descrita para o caso das necessidades de aquecimento. Equação 5.20 Nvc = [Qg.(1- η)] / Ap (kwh/m 2. ano) Os ganhos térmicos brutos (Qg) estão divididos em quatro componentes, como se pode observar na Equação Esta divisão é executada de forma muito 2 Temperatura fictícia que representa o efeito combinado da radiação solar incidente na envolvente e as trocas de calor por radiação e convecção entre a superfície e o meio envolvente. PÁGINA 144 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

162 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios semelhante ao caso das necessidades de aquecimento. Assim, o termo Qg é composto por: cargas térmicas resultantes da diferença de temperatura entre o interior e o exterior do edifícios e da incidência da radiação solar na envolvente opaca exterior (Q1); cargas térmicas resultantes da incidência da radiação solar na envolvente transparente (Q2); cargas térmicas resultantes da renovação de ar (Q3); cargas térmicas resultantes de fontes internas ao edifício (Q4), como equipamentos, pessoas, etc. Equação 5.21 Qg = Q1 + Q2 + Q3+ Q4 1 Q1 de forma a calcular as cargas térmicas resultantes da envolvente opaca é necessário: obter o coeficiente de transmissão térmica (Ui) de cada elemento este valor é semelhante ao utilizado no caso das necessidades de aquecimento; obter a área (Ai) de todos os elementos, medida pelo interior; conhecer o valor da temperatura interior de conforto para o Verão (Ti), a qual está definida no artigo 16º do RCCTE (25 ºC); conhecer o valor da temperatura média do ar exterior na estação convencional de arrefecimento (Tm) este valor pode ser consultado na Tabela 5.7; obter a intensidade média de radiação total incidente (Irj) para cada orientação j este valor encontra-se na Tabela 5.7; conhecer o valor do coeficiente de absorção da superfície exterior (α), este valor pode ser obtido consultando a Tabela 5.6; utilizar o valor da condutância térmica superficial exterior da envolvente (h0), admite-se que este valor é 25 W/m 2.ºC; e utilizar a Equação Tabela 5.6 Coeficiente de absorção de superfícies exteriores Clara -> Branco, Média -> Vermelho Escura -> Castanho, CÔR DA Creme, Amarelo, escuro, Verde claro, Verde escuro, azul vivo, SUPERFICIE Laranja, Vermelho Azul claro azul escuro, preto claro COEFICIENTE DE ABSORÇÃO Equação 5.22 Q1 = α h0 ( T ) m Ti Ui Ai + Ui Ai i i j Ir j Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 145

163 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Tabela 5.7 Temperatura média (Tm) e intensidade da radiação solar (Ir) para a estação de arrefecimento ZONA Tm N NE E SE S SO O NO HORIZ. V1 N V1 S V2 N V2 S V3 N V3 S Açores Madeira Observando a Equação 5.22 é simples verificar que a primeira parte da equação diz respeito às cargas térmicas resultantes da diferença de temperatura entre o interior e o exterior, enquanto que a segunda parte da equação diz respeito às cargas térmicas resultantes da incidência da radiação solar. Por outro lado, como a Temperatura média (Tm) é inferior à Temperatura de conforto de verão (Ti), a primeira parte da equação vai diminuir as necessidades de arrefecimento. Nestes termos não são contabilizadas as trocas de calor dos elementos em contacto com o solo, assim como das pontes térmicas. 2 Q2 de forma a calcular as cargas térmicas resultantes da incidência da radiação solar na envolvente transparente é necessário: obter a intensidade média de radiação total incidente (Irj) para cada orientação j este valor encontra-se no Anexo III do RCCTE; determinar a área efectiva da superfície n que recebe radiação solar na orientação j (Asnj); e utilizar a Equação Equação 5.23 Q 2 = Ir j A snj j j Asnj: este valor é obtido de forma semelhante à descrita para o caso da estação de aquecimento, mas com algumas correcções para a situação de Verão. Assim, considerando a Equação 5.16 e 5.17 temos: Fg é o mesmo que para o caso de Inverno, obtido através da consulta da Tabela 5.5; PÁGINA 146 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

164 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios Fw semelhante ao caso do Inverno, mas neste caso depende da orientação do envidraçado, sendo necessário consultar a Tabela 5.8; Fh toma o valor de 1 para o caso de Verão; F0 e Ff semelhantes ao caso do Inverno, mas devido a diferentes relações solares durante o Inverno e o Verão, as Tabelas a consultar são diferentes, ou seja, nestes casos é necessário consultar o Quadro V.1 e V.2, respectivamente; g em relação a este factor, é necessário considerar que existem protecções solares 70% activas, ou seja, o valor final do factor solar é a soma de 30% do factor solar do vidro e 70% do factor solar do vidro com protecção solar activa a 100%. O factor solar sem protecção é obtido de forma semelhante ao caso de Inverno, através da consulta das Tabelas IV.4.1 e IV.4.2. O factor solar com protecção pode ser obtido através da consulta do Quadro V.4 do RCCTE, para vidros simples e duplos comuns, mas para vidros especiais é necessário utilizar a Equação 5.24 ou 5.25 consoante o vidro seja simples ou duplo, respectivamente. Tabela 5.8 Factor correcção da selectividade angular, para o caso do Verão (Fw) TIPO DE VIDRO N NE / NO E / O SE / SO S Simples Duplo Equação 5.24 g v g g = 0.85 ' Equação 5.25 ' g v g g = com: 0.75 g factor solar com protecções 100% activas e vidro comum; g v factor solar do vidro especial. 3 Q3 o cálculo das cargas térmicas resultantes da renovação do ar é executado de forma semelhante ao caso de Inverno. Assim é necessário: obter a taxa de renovação do ar horária (Rph), de forma semelhante ao caso Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 147

165 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE do Inverno; determinar a área útil de pavimento (Ap); obter do pé-direito (Pd); utilizar o valor da temperatura interior de conforto para o Verão (Ti > 25º C); conhecer o valor da temperatura média do ar exterior na estação convencional de arrefecimento (Tm > Tabela 5.7); e utilizar a Equação Equação 5.26 Q T T ( A P R 0.34 (kwh/ano) ( ) ) 3 = m i P d ph É necessário atentar que, como a Temperatura média (Tm) é inferior à Temperatura de conforto de Verão (Ti), as cargas térmicas resultantes da renovação do ar vão reduzir as necessidades de arrefecimento. 4 Q4 o cálculo das cargas térmicas resultantes de fontes internas é executado de forma semelhante ao caso de Inverno, sendo assim necessário: determinar a área útil de pavimento (Ap); obter os ganhos térmicos internos médios por área útil (qi) (este valor pode ser obtido pela consulta da Tabela 5.2); e aplicar a Equação 5.27; Equação 5.27 Q q A (kwh) I = i P 5.2. VISUALDOE O VisualDOE é uma aplicação em ambiente Windows que permite estimar a performance energética dos edifícios. O motor de cálculo utilizado para a simulação horária das cargas térmicas é o DOE-2.1E. A versão 3.1 do VisualDOE já pode ser considerada como verdadeiramente gráfica, permitindo um maior controlo, em tempo real, da introdução dos elementos geométricos do edifício a partir de imagens que o programa produz, as quais podem ser actualizadas a qualquer momento. Outra melhoria, em termos gráficos, desta versão é a possibilidade de editar as peças desenhadas simplesmente com a utilização do ponteiro do rato. Como tal, o VisualDOE pode ser utilizado sem conhecimentos de programação, tornando mais simples a avaliação da performance energética dos edifícios. Contudo, é necessário ter em atenção PÁGINA 148 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

166 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios alguns pormenores que podem levar a conflitos do programa, tal como a utilização da vírgula como separador decimal na configuração do Windows (Figura 5.2) ou a gravação dos projectos em estudo no VisualDOE numa directoria diferente daquela onde foi instalado o programa (por exemplo C:\Programas\GDT\Visualdoe\). No entanto, para utilizações mais avançadas é sempre necessário um conhecimento relativamente aprofundado do motor DOE-2.1E. Figura 5.2 Configuração do separador decimal no Windows Em termos gerais, a interface do VisualDOE cria uma interacção entre o ficheiro do projecto que se pretende estudar e livrarias e bases de dados que esta ferramenta possui, resultando na criação de um ficheiro de Input para o motor DOE-2.1E. Este último utiliza o seu motor de cálculo para obter a simulação pretendida, com recurso ao ficheiro de dados climáticos, assim como à sua base de dados própria, resultando num ficheiro de output contendo os resultados desejados com a simulação. De forma a uma melhor interpretação dos resultados obtidos, tanto o VisualDOE como o próprio DOE- 2.1E criam relatórios com os resultados obtidos. Este processo pode ser observado de forma esquemática no Figura 5.3. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 149

167 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Interface do VisualDOE Ficheiro do Projecto Base de dados do VisualDOE Dados climáticos do DOE Ficheiro de Input do DOE Motor de Simulação do DOE Processador de texto Relatórios e gráficos do VisualDOE Base de dados do DOE Ficheiro de output do DOE Relatórios do DOE Figura 5.3 Diagrama de fluxo de informação do VisualDOE A metodologia utilizada pelo VisualDOE é bastante útil pois permite utilizar todas as potencialidades já existentes do DOE-2.1E, mas simplificando o processo de execução do seu ficheiro de input. Consegue assim simular, de forma precisa, a performance energética de edifícios que sejam projectados com soluções não convencionais. Para utilizadores mais avançados, torna-se até possível a introdução de rotinas novas, de forma a simular soluções não contempladas no DOE-2.1E. De forma a simular a performance energética de um edifício utilizando o VisualDOE, é necessário considerar três passos distintos: Introdução dos dados do projecto; Execução da simulação; Análise dos resultados INTRODUÇÃO DOS DADOS DO PROJECTO Ao iniciar a utilização do programa VisualDOE é sempre necessário escolher as unidades a utilizar: SI ou IP. Por defeito, as unidades que o programa escolhe PÁGINA 150 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

168 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios são as IP. Para escolher as unidades SI é necessário iniciar um novo projecto e escolher o template destas unidades, como se pode observar na Figura 5.4. Figura 5.4 Definição das unidades a utilizar no VisualDOE Antes de iniciar a utilização do programa é conveniente configurar as bases de dados existentes no VisualDOE, de forma a introduzir soluções e materiais que não estão pré-definidos no mesmo, através do sistema de definição de bases de dados que o VisualDOE possui, como se pode observar na Figura 5.5. Assim, as bases de dados existentes são: Vidros [Glazings] definição de vidros com as características iguais ou semelhantes ao caso em estudo; Vãos [Openings] definição das dimensões do vidro, do caixilho e dos sombreadores, como se mostra na Figura 5.5; Materiais [Materials] definição das características dos materiais constituintes dos elementos de construção (paredes, pavimentos, etc); Elementos de Construção [Constructions] definição dos materiais que constituem os elementos, assim como a sua ordem; Tipo de Ocupação [Occupancy] definição do tipo de ocupação do edifício e suas características, tais como a densidade ocupacional, a temperatura de conforto para a estação de aquecimento e arrefecimento, etc; Horários [Schedule] definição dos horários ao longo do dia, em termos de fracções de um dado número, on/off, temperaturas, períodos temporais ou qualquer outro número; Taxas de Utilização [utility rates] definição dos custos energéticos de vários tipos de fontes energéticas, tais como a electricidade, gás natural, etc. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 151

169 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 5.5 Definição das componentes da base de dados de vãos envidraçados do VisualDOE Seguidamente, é desencadeada a introdução dos elementos referentes ao edifício em estudo. O VisualDOE está subdividido em 6 pastas contendo diferentes elementos: Pasta Projecto > Pasta Blocos > Pasta Compartimentos > Pasta Envolvente > Pasta Sistemas de climatização -> Pasta Zonas > Pasta Projecto Esta pasta contém informações genéricas sobre o projecto em estudo, como o nome, endereço, etc., tal como é possível observar na Figura 5.6. Por outro lado é nesta pasta que se escolhe o ficheiro climático a utilizar aqui é possível empregar um ficheiro existente no VisualDOE ou adicionar um ficheiro específico de outras localizações ou com características distintas (no Capitulo 6 é apresentada uma forma de realizar um ficheiro climático para este programa utilizando dados de um sistema de medição). PÁGINA 152 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

170 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios Figura 5.6 VisualDOE, pasta projecto Convém notar que inicialmente apenas se pode aceder à pasta projecto e blocos, mas ao serem introduzidos os dados necessários em cada uma destas pastas, a próxima pasta torna-se acessível, sendo este processo repetido até todas as pastas estarem acessíveis. Este sistema é muito útil, pois torna a introdução dos elementos geométricos do edifício um processo sistemático, evitando erros por omissão de dados. Pasta Blocos Nesta pasta é possível definir as características geométricas do edifício em estudo de duas formas: podem-se utilizar as geometrias predefinidas do programa ou utilizar uma geometria específica e inserir os dados geométricos, como se pode observar na Figura 5.7; também é possível introduzir os dados geométricos do edifício a partir de ficheiros em formato CAD já existentes, se estes ficheiros obedecerem a algumas regras que são referidas no manual do VisualDOE (Green Design Tools, 2001). Seguidamente, é necessário definir o tipo de elemento construtivo do pavimento, tecto e partições do edifício, para cada bloco. Também é possível definir o pé-direito e o número de andares do edifício. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 153

171 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 5.7 VisualDOE, pasta blocos Pasta Compartimentos Nesta pasta são definidos os parâmetros relativos aos diversos compartimentos presentes no edifício, tal como a potência de iluminação e equipamentos, o tipo de ocupação, se é um espaço útil ou não-útil e a taxa de infiltração, como se pode observar na Figura 5.8. Enquanto se vai definindo os vários compartimentos, aquele que está seleccionado aparece representado a amarelo na planta esquemática do edifício, que aparece no lado esquerdo da janela. Figura 5.8 VisualDOE, pasta compartimentos PÁGINA 154 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

172 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios Pasta Envolvente Esta pasta tem o intuito de definir os elementos construtivos das paredes da envolvente, assim como a integração dos vãos envidraçados. Tendo sido definidos os vários vãos na base de dados, aqui apenas é necessário indicar e colocar os respectivos vãos. Enquanto se definem as várias paredes da envolvente, aquela que está seleccionada aparece representado por um traço vermelho, na planta esquemática do edifício, que aparece no lado esquerdo da janela. E também apresentada uma vista frontal da parede, de modo a ser possível verificar a correcta do vão envidraçado, como se pode observar na Figura 5.9. Figura 5.9 VisualDOE, pasta envolvente Pasta Sistemas de Climatização Nesta pasta é possível configurar o(s) sistema(s) de climatização a utilizar. O VisualDOE possui uma vasta gama de sistemas, desde painéis de pavimento para aquecimento, até sistemas de ar-condicionado multi-zona. Em primeiro lugar é fundamental escolher se o sistema a utilizar é comum a todo o edifício ou se existe um sistema por bloco ou zona. Seguidamente é necessário escolher e configurar o(s) sistema(s) de climatização. Este programa possui um editor onde se podem modificar vários parâmetros específicos de cada sistema, além de ser possível modificar as curvas específicas de todos os Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 155

173 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE equipamentos de climatização. Na Figura 5.10 está apresentada a pasta sistemas de climatização e o respectivo editor. Figura 5.10 VisualDOE, pasta sistemas de climatização Pasta Zonas Esta pasta tem como intuito a configuração do termóstato dos equipamentos de aquecimento e/ou arrefecimento, assim como do caudal de ar de entrada e de escape, como se pode observar na Figura Nesta pasta, a zona que está a ser configurada aparece a amarelo na planta esquemática representada na parte esquerda do ecrã. Figura 5.11 VisualDOE, pasta zonas EXECUÇÃO DA SIMULAÇÃO Posteriormente à introdução de todos os dados relativos ao projecto, é possível executar uma simulação inicial, de forma a avaliar a performance energética do edifício. Para uma análise de resultados mais simples, é PÁGINA 156 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

174 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios necessário escolher os relatórios que mais se adequam ao caso em estudo. No VisualDOE a configuração da simulação está subdividida em 3 pastas contendo diferentes elementos: Pasta Simulação > Pasta Relatórios Padrão -----> Pasta Relatórios Horários ----> Pasta Simulação Esta pasta serve apenas para ordenar a execução da simulação pretendida, além de possuir duas opções: 1 - utilizar um ficheiro de input já existente esta opção é apresentada para que se possam editar os ficheiros de input criados pelo VisualDOE, de forma a aproveitar as potencialidades do DOE-2.1E; 2 - não criar relatórios horários - esta última opção é útil para casos onde apenas se está a testar várias opções e como a criação dos relatórios horários pode ser um processo moroso, esta opção pode tornar o processo de comparação de várias soluções mais rápido. Pasta Relatórios Padrão Esta pasta contém os relatórios padrão que podem ser seleccionados para serem criados pelo VisualDOE. Estes relatórios contêm os resultados energéticos em termos anuais ou mensais, além de detalhes do edifício ou ficheiro climático utilizado. Assim, dependendo do tipo de análise, podem ser seleccionados os relatórios mais convenientes. Pasta Relatórios Horários Esta pasta contém os relatórios horários que podem ser seleccionados para serem criados pelo VisualDOE. Adicionalmente é possível utilizar um editor onde se escolhem os parâmetros necessários para o estudo. É conveniente atentar que quantos mais parâmetros forem escolhidos para analisar em termos horários, mais pesada fica a simulação, podendo resultar num processo moroso. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 157

175 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Depois de executar a simulação é criado um ficheiro input o qual é utilizado pelo motor do DOE-2.1E. Assim, antes de executar a análise de resultados, pode ser necessário editar este ficheiro, para casos que não estão previstos pelo VisualDOE, sendo necessário modificar certas linhas de comando do ficheiro input de forma a aproximar o modelo à realidade. Um caso muito simples em que tal pode ocorrer é em relação às estufas, neste caso o VisualDOE não possui nenhuma opção, mas com a introdução de uma simples linha de comando pode-se definir que um certo espaço é uma estufa, como se pode observar na Figura Figura 5.12 Ficheiro de Input do DOE-2.1E ANÁLISE DE RESULTADOS A análise dos resultados obtidos pelo VisualDOE pode ser executada de várias formas. Em termos gerais esta ferramenta produz dois grandes grupos de resultados, como se pode observar no esquema da Figura 5.3: Relatórios e gráficos realizados pelo VisualDOE; Relatórios realizados pelo DOE-2.1E. A causa da diferença destes dois grupos de resultados é que, enquanto os relatórios executados pelo VisualDOE são direccionados para a plataforma Windows, com possibilidade de exportar os resultados em ficheiros de rich text format (*.rtf), compatíveis com os processadores de texto mais utilizados; os relatórios executados pelo DOE-2.1E são direccionados para o sistema PÁGINA 158 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

176 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios operativo DOS, embora o acesso aos relatórios horários apenas se possa fazer com recurso aos relatórios do DOE-2.1E. Uma inovação do VisualDOE é a possibilidade de criar e editar uma grande quantidade de gráficos, possibilitando a exportação destes como imagens em formatos compatíveis com a maioria dos processadores de imagem (*.JPG, *.BMP, etc). Relatórios e gráficos do VisualDOE Depois de executada a simulação, o VisualDOE apresenta três tipos de resultados diagnóstico, relatórios e gráficos. Analisando cada um destes tipos de resultados, temos: Diagnóstico apresenta duas pastas, uma relativa às zonas do edifício, apresentando as temperatura máximas e mínimas, as horas com temperatura abaixo da temperatura de conforto de Inverno e as horas com temperatura acima da temperatura de conforto de Verão, por cada zona do edifício, a segunda respectiva ao sistema de climatização, apresentando a carga de pico e a capacidade de aquecimento e arrefecimento, como se pode observar na Figura 5.13; Figura 5.13 VisualDOE diagnóstico. Pasta zonas e sistemas de climatização Relatórios podem ser consultados os relatórios relativos aos detalhes de arquitectura do edifício, detalhes das várias zonas, detalhes do sistema de climatização e performance energética do edifício. Nestes Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 159

177 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE relatórios também é possível consultar os consumos energéticos totais por tipo de consumo (aquecimento, arrefecimento, etc.); Gráficos aqui é possível trabalhar os resultados obtidos de forma gráfica, desde as temperaturas exteriores aos dados horários seleccionadas anteriormente à simulação. Em todos os gráficos é possível definir variados parâmetros, como se pode observar na Figura Figura 5.14 VisualDOE gráficos Relatórios do DOE-2.1E Depois de executada a simulação, o DOE-2.1E produz três ficheiros contendo diferentes tipos de resultado ficheiro de output, ficheiro de dados horários e ficheiro de estatísticas climáticas. Resumidamente, temos; Ficheiro de Output neste ficheiro são apresentados todos os relatórios padrão seleccionados antes da execução da simulação; Ficheiro de dados horários neste ficheiro são apresentados os relatórios horários seleccionados antes da execução da simulação; Ficheiro de estatísticas climáticas neste ficheiro são apresentados, de forma resumida, vários dados climáticos presentes no ficheiro climático utilizado para a simulação. Estes dados vão desde as temperaturas médias, Graus-Dia, até à radiação solar incidente. Com base em todos os relatórios e gráficos resultantes da simulação executada no VisualDOE, é relativamente simples proceder à análise da PÁGINA 160 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

178 CAPÍTULO 5 Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios performance energética do edifício. Adicionalmente, o VisualDOE permite criar várias alternativas ao caso base simulado, onde, a partir de pequenas modificações, como a espessura do isolamento em algumas paredes, é possível verificar de forma expedita a consequência, em termos energéticos, destas pequenas alterações. O VisualDOE permite utilizar até 99 alternativas ao caso base. Este procedimento é de grande utilidade na fase de projecto, permitindo escolher dentro das várias opções disponíveis aquela com uma melhor performance energética. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 161

179 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 6. CAPÍTULO 6 CASO DE ESTUDO 6.1. INTRODUÇÃO AO CASO DE ESTUDO O Caso de Estudo proposto é a análise da performance térmica das Células de Teste construídas na Universidade do Minho, Escola de Engenharia, em Guimarães na Figura 6.1 é possível identificar as Células de Teste no Pólo de Azurém. Uma Célula de Teste pode ser definida como um protótipo à escala real, construído com o intuito de aplicar elementos ou sistemas construtivos de edifícios, submetendo-os a condições reais e testando assim a sua performance. As Células de Teste (CT) em questão foram projectadas pelo Arquitecto Paulo Mendonça, com o apoio do Laboratório de Física e Tecnologia das Construções. O pressuposto para a construção das CT foi a possibilidade de comparar a performance de uma solução executada a partir de soluções convencionais da construção Portuguesa, Célula de Teste Convencional, com uma solução não-convencional construída com base em princípios bioclimáticos. Adicionalmente, foi construída uma terceira CT com a possibilidade de integrar diferentes componentes de diversos tipos para serem submetidos a diferentes estratégias de ensaio em função das características PÁGINA 162 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

180 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo que se pretendem avaliar. Para tal, foi utilizada a metodologia seguida no Projecto Europeu Passys para a construção desta terceira CT Célula de Teste tipo Passys (Maldonado e Afonso, 1994). Figura 6.1 Localização das Células de Teste na Escola de Engenharia, Universidade do Minho. Fonte: Google Earth De forma a comparar a performance energética das Células de Teste, foram utilizadas três metodologias: medição da performance in-situ ; aplicação da metodologia de cálculo do RCCTE de forma a estimar as necessidades de aquecimento e arrefecimento; e utilização da ferramenta de simulação da performance energética VisualDOE CÉLULAS DE TESTE Como já foi referido previamente, as Células de Teste são divididas em três Células independentes: Célula de Teste Convencional (CTC) esta é a célula com uma construção semelhante à convencional Portuguesa, sendo as paredes exteriores duplas constituídas por (do exterior para o interior) tijolo furado de 11 cm, caixa de ar de 4 cm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) de 4 cm e tijolo furado de 15 cm, além de uma camada de 2 cm de reboco em ambas as faces. As paredes interiores são simples e constituídas por um pano de tijolo furado de 11 cm e com uma camada de 2 cm de reboco em ambas as faces. O pavimento é Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 163

181 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE constituído por uma laje de betão aligeirada de 25 cm, uma camada de regularização de 4 cm e o revestimento em placas de lamparquet. A cobertura é composta por uma laje de betão aligeirada de 25 cm. A CTC é composta por três divisões, a primeira pretende simular um quarto de dormir, a segunda uma casa de banho e a terceira um hall, como é possível observar na Figura Norte 1 Figura 6.2 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional. Célula de Teste não Convencional (CTnC) esta Célula é dividida em dois compartimentos, como é possível observar na Figura 6.3. O compartimento 1 possui uma massa térmica elevada e pretende simular um quarto de dormir, enquanto que o compartimento 2 tem baixa massa térmica e pretende simular um escritório. A CTnC foi construída segundo princípios bioclimáticos, ou seja, o compartimento 1 tem elevada massa de forma a aproveitar o efeito da inércia térmica; possui uma fachada a sul com envidraçado de forma a tirar proveito da energia solar passiva, mas com a aplicação de sombreadores horizontais e verticais, de forma a não provocar sobreaquecimento durante o Verão; é utilizado um material disponível localmente a terra, de forma a construir a parede sul e oeste do compartimento 1; foi construída uma estufa como uma estratégia de ganho indirecto; para o compartimento 2 foi utilizado um envidraçado de grandes dimensões de forma a aproveitar a iluminação natural que este proporciona. Os PÁGINA 164 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

182 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo elementos construtivos da CTnC podem ser observados na Tabela 6.1, atentando para o facto de estarem identificados do exterior para o interior. Tabela 6.1 Elementos construtivos da CTnC Compartimento 1 Compartimento 2 Paredes Pavimento Oeste - parede dupla com uma placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm, espaço de ar de 4 cm, isolamento de aglomerado negro de cortiça com 5 cm, parede de terra compactada (adobe) com 15 cm, caiada pelo interior Sul - parede simples de terra compactada (adobe) com 15 cm de espessura e caiada de ambos os lados Oeste - parede tripla com uma placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm, espaço de ar de 6 cm, uma placa de aglomerado madeira/ cimento com 19 mm, isolamento de aglomerado negro de cortiça com 8 cm, isolamento de fibras de côco com 2 cm, uma placa de gesso cartonado com 13 mm Norte - parede simples constituída por uma placa de policarbonato alveolar com 10 mm Divisória - Placa de contraplacado com 1 cm Laje de betão alveolar com 20 cm, camada de regularização com 4 cm, revestimento em placas de lamparquet Cobertura Isolamento de aglomerado negro de cortiça com 8 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, espaço de ar de 15 cm, laje de betão alveolar com 20 cm. Placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, isolamento de aglomerado negro de cortiça com 8 cm, espaço de ar de 10 cm, isolamento de fibras de côco com 2 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 19 mm, revestimento em placas de lamparquet Placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, isolamento de aglomerado negro de cortiça com 8 cm, isolamento de fibra de côco de 2 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 19 mm. Norte 2 1 Figura 6.3 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste não Convencional. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 165

183 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Célula de Teste tipo Passys (CTP) esta célula é dividida em dois compartimentos, como se pode observar na Figura 6.4, onde o compartimento 1 é o espaço de teste a elementos construtivos, enquanto que o compartimento 2, também chamado de zona de serviço, tem como função alojar equipamentos do sistema de medição, como o computador, data-logger, etc. Os elementos construtivos da CTP podem ser observados na Tabela 6.2, atentando para o facto de estarem identificados do exterior para o interior. Tabela 6.2 Elementos construtivos da CTP Compartimento 1 Compartimento 2 Paredes Sul - parede simples constituída por uma placa de policarbonato alveolar com 10 mm Este (divisória com CTC) - parede simples com camada de reboco de 2 cm, tijolo furado com 11 cm, camada de reboco de 2 cm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 20 cm. Oeste 1 (divisória com compartimento 1 da CTnC) - parede simples com camada de terra compactada (adobe), isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 20 cm. Oeste 2 (divisória com compartimento 2 da CTnC) - parede dupla com placa de gesso cartonado com 13 mm, espaço de ar com 5 cm, placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 20 cm. Norte - parede simples com uma placa de aglomerado madeira / cimento de 19 mm. Este (divisória com CTC) - parede simples com camada de reboco de 2 cm, tijolo furado com 110 cm, placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm. Oeste (divisória com compartimento 2 da CTnC) - parede dupla com placa de gesso cartonado com 13 mm, espaço de ar com 5 cm, placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm. Divisória - parede simples com uma placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 10 cm. Pavimento Cobertura Placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, espaço de ar de 10 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 19 mm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 25 cm, camada de óleo de côco com 5 cm, revestimento em lamparquet. Placa de contraplacado com 5 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 30 cm. Placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm, espaço de ar de 10 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 19 mm Placa de contraplacado com 5 cm, placa de aglomerado madeira / cimento com 12 mm. PÁGINA 166 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

184 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo 2 1 Norte Figura 6.4 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste tipo Passys INSTRUMENTAÇÃO DAS CÉLULAS DE TESTE De forma a avaliar a performance in-situ das Células de Teste, assim como proceder à comparação entre as soluções escolhidas, foi necessário instalar um sistema de medição nas Células de Teste. O sistema de medição pode ser dividido em três componentes base: Estação meteorológica este componente alberga todos os sensores configurados para medir parâmetros climáticos considerados relevantes. Assim, a estação meteorológica (Figura 6.5) é composta por 1 sensor de temperatura e humidade relativa; 1 sensor de velocidade e direcção do vento; 1 sensor de luminosidade; 1 sensor de precipitação. Sistema de medição das Células de Teste - este Figura 6.5 Estação componente alberga todos os sensores meteorológica. configurados para medir parâmetros interiores considerados relevantes. Assim, este sistema é composto por 7 sensores de temperatura interior, um por cada compartimento, onde para os casos do compartimento 1 da CTC e da CTP e os dois compartimentos da CTnC, estes sensores também possuem a capacidade de medir a humidade relativa; 33 Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 167

185 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE sensores de temperatura superficial, distribuídos pela 3 Células de Teste, como se pode ver na Figura 6.6; 4 sensores de fluxo de calor, parede oeste do compartimento 1 da CTnC, parede sul do compartimento 1 da CTnC, parede oeste do compartimento 2 da CTnC e parede este do compartimento 1 da CTC; 2 sensores de luminosidade, compartimento 1 da CTC e compartimento 2 da CTnC; 2 sensores de fluxo de ar, compartimento 1 da CTC e compartimento 1 da CTnC. Sistema de armazenamento de dados este componente alberga o data-logger (Figura 6.7) com dois multiplexadores (de forma a obter todas as entradas necessárias) e um computador de apoio. Figura 6.6 Planta com a disposição dos sensores de temperatura superficial. Figura 6.7 Data-Logger das Células de Teste. PÁGINA 168 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

186 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo Com o sistema de instrumentação em funcionamento foi possível obter os dados necessários de forma a possibilitar a comparação da performance das Células de Teste (estes valores serão apresentados e comentados no Capítulo 7), a obtenção de um ficheiro climático e o cálculo do coeficiente de condutibilidade térmica in-situ de várias paredes, entre outros APLICAÇÃO DO RCCTE AO CASO DE ESTUDO Uma das metodologias utilizadas para proceder à avaliação da performance da Células de Teste foi, como referido anteriormente, o novo Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE). Assim, foi seguida a metodologia apresentada no Capítulo 5, de forma a obter o valor das Necessidades de Aquecimento e as Necessidades de Arrefecimento para a CTC, CTnC e CTP antes e depois da aplicação da estufa na fachada Sul (Figura 6.8). Em termos gerais, para a aplicação do RCCTE a este caso, é necessário identificar o concelho onde foram construídas as Células de Teste Guimarães de forma a conhecer a sua zona climática I2, V2. Figura 6.8 Células de Teste com estufa (foto da esquerda) e sem estufa (foto da direita). Por outro lado, no caso dos parâmetros - Graus-Dia (GD), Energia solar média mensal incidente numa superfície vertical orientada a sul (Gsul) e Temperatura média na estação de Verão (Tm) o valor utilizado não foi o apresentado no Anexo III do RCCTE. Foram utilizado os valores obtidos in-situ, de forma a calcular os parâmetros necessários, de modo a obter como que uma Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 169

187 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE calibração do modelo, aumentando a precisão da metodologia ao caso de estudo. Adicionalmente, para os casos das paredes instrumentadas com sensores de fluxo de calor, o coeficiente de transmissão térmica foi calculado a partir dos valores de fluxo de calor e temperatura superficial (interior e exterior) das paredes, medidos in-situ, o que irá resultar na utilização dos valores reais do valor U, em vez de valores tabelados. Este procedimento foi baseado na NORMA ASTM C (no Anexo II é apresentado o método de cálculo para obtenção do coeficiente de transmissão térmica a partir de valores medidos in-situ ). Com o intuito de tornar o processo de cálculo do coeficiente de transmissão térmica (U) das parede mais célere, foi criada uma folha de cálculo em Excel (Figura 6.9), onde apenas é necessário seleccionar os materiais que compõem as várias camadas da parede, de forma a obter o valor de U, peso específico (útil no cálculo da inércia térmica) e custo energético. Figura 6.9 Folha de cálculo de Excel para obtenção do coeficiente de condutibilidade térmica. PÁGINA 170 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

188 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo CÁLCULO DAS NECESSIDADES DE AQUECIMENTO Para o cálculo das Necessidades de Aquecimento anuais das Células de Teste, o primeiro passo realizado foi a medição do pé-direito e da área útil do pavimento de todas as Células, valores esses apresentados na Tabela 6.3: Tabela 6.3 Área útil e pé-direito das Células de Teste CTC CTnC Área útil de Pavimento [m 2 ] Pé Direito [m] Seguidamente foi necessário obter as perdas térmicas das Células de Teste, através da envolvente exterior, pontes térmicas, pavimento, cobertura, paredes em contacto com áreas não-úteis, envidraçados e renovação do ar, utilizando para tal os valores calculados de U, medindo as áreas das paredes, pavimento, coberturas e envidraçados e medindo o perímetro das pontes térmicas lineares. Os valores das perdas térmicos para cada Célula de Teste são apresentados na Tabela 6.4: Tabela 6.4 Perdas térmicas das Células de Teste no Inverno PERDAS TÉRMICAS (W/ºC) Com Estufa Sem Estufa Com Estufa Sem Estufa Paredes Exteriores Pontes Térmicas Pavimento Cobertura Paredes em contacto com zonas não úteis Envidraçados Renovação do ar CTnC CTC Posteriormente foi necessário calcular a inércia térmica das Células de Teste a partir dos pesos específicos dos elementos construtivos e obedecendo a regras referidas no Capítulo 5. Para o RCCTE, a inércia térmica do compartimento é utilizada de forma a obter o factor de utilização dos ganhos solares. Assim temos a CTnC e CTC com inércia forte. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 171

189 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Para o cálculo dos ganhos térmicos apenas temos os ganhos solares, pois as Células de Teste não estão apetrechadas com equipamentos eléctricos ou iluminação. Assim, a partir dos valores tabelados apresentados no RCCTE e calculando o factor de sombreamento das várias palas existentes obtiveramse os valores apresentados na Tabela 6.5: Tabela 6.5 Ganhos térmicos das Células de Teste no Inverno Ganhos Solares brutos Factor de utilização Ganhos úteis CTnC S/ Estufa C/ Estufa CTC S/ Estufa C/ Estufa Obtendo os valores dos ganhos e perdas térmicas das Células de Teste, foi possível calcular as Necessidades de Aquecimento para cada caso estes valores serão apresentados e comentados no Capítulo CÁLCULO DAS NECESSIDADES DE ARREFECIMENTO O cálculo das necessidades de arrefecimento é executado de forma semelhante ao das necessidades de aquecimento, ou seja, realizando um balanço entre as perdas e os ganhos térmicos, sendo que neste caso os ganhos aumentam as necessidades. De forma a calcular as perdas térmicas, o procedimento é muito simples, uma vez que os valores das perdas pela envolvente exterior, envidraçados e renovação de ar, foram já previamente calculados aquando das necessidades de aquecimento. A única diferença será a utilização da diferença entre a temperatura de conforto para o Verão (25 ºC) e a temperatura média, ao invés do valor de Graus-Dia. Os valores obtidos são apresentados na Tabela 6.6: Tabela 6.6 Perdas térmicas das Células de Teste no Verão PERDAS TÉRMICAS (kwh) CTnC CTC Com Estufa Sem Estufa PÁGINA 172 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

190 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo O passo seguinte será o cálculo dos ganhos térmicos. Nas Células de Teste os ganhos térmicos presentes são os ganhos solares pelos envidraçados (calculados de forma semelhante ao caso de Inverno mas com as tabelas a utilizar adaptadas para o Verão) e os ganhos solares pela envolvente opaca (este caso também é calculado de forma semelhante ao Inverno mas é utilizado um factor de absorção da parede e a radiação solar incidente ao invés de utilizar os Graus-Dia). Aplicando a metodologia apresentada no Capítulo 5, atingiu-se os valores apresentados na Tabela 6.7: Tabela 6.7 Perdas térmicas das Células de Teste no Verão GANHOS TÉRMICOS (kwh) CTnC CTC Ganhos solares Com Sem Com Sem através de: Estufa Estufa Estufa Estufa Envidraçados Envolvente opaca TOTAIS Obtendo os valores dos ganhos e perdas térmicas das Células de Teste foi possível calcular as Necessidades de Arrefecimento para cada caso > estes valores serão apresentados e comentados no Capítulo APLICAÇÃO DO VISUALDOE AO CASO DE ESTUDO De forma a estudar a performance energética das Células de Teste no VisualDOE, o primeiro passo executado foi a obtenção de um ficheiro climático apropriado ao caso em estudo. Em situações correntes e para as principais cidades de Portugal, existem já vários ficheiros disponíveis na página de Internet do Departamento de Energia dos Estados Unidos (U.S. Department of Energy, 2005), mas para situações experimentais é habitual obter um ficheiro climático com base em parâmetros medidos in-situ. Assim, para este caso de estudo, a partir dos parâmetros medidos pela estação meteorológica das Células de Teste, calcularam-se os parâmetros necessários para obter um ficheiro climático compatível com o VisualDOE, como se pode observar na Tabela 6.8. Mas, atentando para o facto de o ficheiro climático necessário para o VisualDOE ter os parâmetros em unidades IP, enquanto que o sistema Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 173

191 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE de medição utilizado nas Células de Teste apresenta os parâmetros em unidades SI, foi necessário converter as unidades de todos os parâmetros. A metodologia seguida para obtenção do ficheiro climático está descrita detalhadamente no Anexo I. Tabela 6.8 Parâmetros do ficheiro climático para o VisualDOE. Parâmetros Medidos Calculados a Parâmetros Necessários "In-Situ" partir de: 1) Temperatura Temperatura de bolbo seco 1) 2) Humidade Relativa Temperatura de bolbo húmido 1); 2) 3) Precipitação Razão de humidade 1; 2) 4) Direcção do Vento Entalpia 1); 2) 5) Velocidade do Vento Precipitação 3) 6) Radiação solar total horizontal Direcção do Vento 4) Velocidade do vento 5) Radiação solar total horizontal 6) Radiação solar directa 6) INTRODUÇÃO DOS DADOS DAS CÉLULAS DE TESTE De forma a possibilitar uma introdução de dados sistemática no VisualDOE, foi necessário inserir nas bases de dados desta ferramenta os elementos existentes nas Células de Teste: Envidraçados vidro simples, vidros duplo e policarbonato; Vãos CTC (1 vão na fachada sul e 2 vãos na fachada norte), CTP (1 vão na fachada sul), CTnC (1 vão na fachada sul e 2 vãos na fachada norte); Materiais de Construção tijolo, aglomerado madeira / cimento, gesso cartonado, fibra de côco, etc; Paredes exteriores parede dupla de tijolo, parede simples de adobe, parede dupla de adobe e aglomerado madeira / cimento com isolamento, etc; Paredes interiores parede simples de tijolo, parede simples de adobe com isolamento, etc; PÁGINA 174 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

192 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo Pavimentos CTC, CTP (compartimento 1 e 2), CTnC (compartimento 1 e 2); Coberturas CTC, CTP (compartimento 1 e 2), CTnC (compartimento 1 e 2). Com todas as bases de dados definidas, foi criado um novo projecto no VisualDOE e iniciada a introdução dos dados de forma semelhante à referida no Capítulo 5, preenchendo as várias pastas constituintes da ferramenta: Pasta Projecto aqui foi definido o nome do projecto Células de Teste, e introduzido o ficheiro climático adequado Guimarães04_UM, entre outros aspectos; Pasta blocos nesta pasta foi utilizado o editor de blocos do VisualDOE para definir a planta das Células de Teste e seguidamente foram escolhidos os elementos construtivos para o pavimento, cobertura e paredes interiores, já introduzidos na base de dados. Como os elementos construtivos do pavimento e cobertura das Células de Teste diferem entre os vários compartimentos e o VisualDOE apenas permite escolher 1 cobertura, 1 pavimento e 1 parede interior por bloco, foi necessário editar o ficheiro de Input criado posteriormente pelo VisualDOE (este procedimento é desenvolvido no ponto 6.3.2); Pasta Compartimentos aqui foi definido que os compartimentos 2 e 3 da CTC, o compartimento 2 da CTP e as estufas, são espaços não-úteis. Também foi definido que não existem pessoas, equipamentos e iluminação em nenhum dos compartimentos; Pasta Envolvente nesta pasta foram introduzidos todos os vãos, previamente definidos nas bases de dados do VisualDOE, nas fachadas correspondentes, como se pode observar na Figura Seguidamente foi seleccionado o elemento construtivo de cada fachada. Pasta Sistemas de Climatização aqui foi escolhido um sistema de climatização com aquecimento e arrefecimento com capacidade de manter a temperatura nos espaços úteis em 20 ºC, para a estação de aquecimento e 25 ºC, para a estação de arrefecimento; Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 175

193 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Pasta Zonas nesta pasta apenas foi necessário escolher a sensibilidade do termóstato 2 ºC. Norte Figura 6.10 Definição da envolvente das Células de Teste EXECUÇÃO DA SIMULAÇÃO DAS CÉLULAS DE TESTE Com todos os dados das Células de Teste introduzidos foi executada uma primeira simulação, onde o único intento era a geração de um ficheiro de Input caracterizando as Células de Teste. Assim, para uma maior aproximação do modelo criado à situação real, foram necessárias algumas alterações no ficheiro de Input inicial: Introdução de todos os materiais e elementos construtivos em falta no ficheiro Input. Para se realizar esta tarefa de forma rápida e utilizar as potencialidades do VisualDOE, pode ser executada a simulação várias vezes, alterando os elementos utilizados e copiando os materiais e elementos adicionais para o ficheiro de input, como se pode observar na Figura 6.11; PÁGINA 176 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

194 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo Figura 6.11 Adição de materiais no ficheiro de Input do VisualDOE. Alteração dos elementos construtivos das paredes interiores, coberturas e pavimentos. Para tal pode ser utilizado o editor próprio do VisualDOE e alterar directamente o nome da construção utilizado numa primeira instância pelo VisualDOE, pelo elemento realmente utilizado nas Célula de Teste, como se pode observar na Figura 6.12; Figura 6.12 Alteração de elementos construtivos no ficheiro de Input do VisualDOE. Definição de espaços como estufas (este procedimento foi exemplificado no Capítulo 5.2.2); Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 177

195 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Alteração da inércia térmica dos compartimentos. Este procedimento pode ser necessário se identificado na calibração algo que possa indicar um problema na inércia térmica calculada automaticamente pelo VisualDOE. Assim, para mudar a inércia térmica do compartimento é necessário modificar o valor apresentado na linha de comandos do ficheiro de Input FLOOR-WEIGHT, do valor zero (neste caso o VisualDOE calcula automaticamente o valor da inércia térmica), para o valor calculado analiticamente, como se pode observar na Figura Figura 6.13 Definição da inércia térmica dos compartimentos CALIBRAÇÃO DO MODELO DAS CÉLULAS DE TESTE Em qualquer modelo a utilizar nas ferramentas computacionais é necessário proceder sempre à sua calibração, de forma a ajustar, com a maior precisão possível, o modelo à realidade e assim diminuir o erro sistemático do modelo. Como tal, neste caso de estudo também foi executada a calibração do modelo a utilizar nas simulações, a partir de: Utilização de um ficheiro climático que represente as condições climáticas a que as Células de Teste estiveram realmente expostas (apresentado no Anexo II); PÁGINA 178 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

196 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo Cálculo do coeficiente de condutibilidade térmica real de algumas paredes exteriores, a partir da medição do fluxo de calor e temperatura superficial das paredes em questão (apresentado no Anexo II); Comparação da temperatura interior dos compartimentos medida in-situ. Com a temperatura calculada pela ferramenta de cálculo e execução dos devidos ajustes, através por exemplo da inércia térmica. A utilização de um ficheiro climático obtido a partir do sistema de medição existente nas Células de Teste vai garantir que a ferramenta de simulação utilize, nos seus cálculos, temperaturas exteriores e intensidades de radiação iguais às que as CT foram expostas. Este facto é muito importante para o aumento da aproximação da simulação ao caso real. A obtenção do coeficiente de condutibilidade térmico in-situ das paredes exteriores também é bastante importante, pois é através destas que se processam uma grande percentagem das trocas de calor entre o interior e o exterior. Como tal, introduzindo no VisualDOE os valores reais de U das paredes exteriores, faz com que a precisão da simulação também aumente significativamente. Por último, o recurso à comparação das temperaturas interiores medidas in-situ com as calculadas pelo VisualDOE, através do modelo realizado, é importante para executar os ajustes finais do modelo e impedir erros significativos. Por exemplo, no caso de estudo, a partir desta comparação foi detectado um problema no cálculo automático da inércia térmica realizado pelo VisualDOE, assim como erros na caracterização geométrica de sombreadores. Estes problemas podem ser observados na Figura 6.14, pois as oscilações de temperatura são amortecidas na simulação do VisualDOE (problemas devido à inércia térmica), assim como a temperatura máxima é bastante inferior na simulação do VisualDOE (problemas na definição dos sombreadores e valor da inércia térmica). Detectados estes problemas, foram sucessivamente corrigidos até se obter uma versão do modelo que, Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 179

197 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE provavelmente, não possui nenhum erro, como se pode observar na Figura Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) Célula Convencional Janeiro "in-situ" VisualDOE_ver1 Figura 6.14 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 1ª versão da simulação Célula Convencional Janeiro "in-situ" VisualDOE_ver26 Figura 6.15 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 26ª versão da simulação. Em qualquer caso, o perfeito ajuste do modelo à realidade será sempre algo intangível, pois as Células de Teste foram utilizadas para várias experiências e sofreram várias obras, que mesmo com a máxima cautela em todas as intervenções, têm alguma repercussão nas temperaturas medidas in-situ. Como não é possível representar estes eventos no modelo, tal resulta em pequenos desvios entre os dados obtidos por simulação e os obtidos in-situ. PÁGINA 180 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

198 CAPÍTULO 6 Caso de Estudo Com o modelo calibrado foram executadas várias simulações, com o intuito de: Calcular o erro com que é possível simular o caso de estudo no VisualDOE; Testar a performance das Células de Teste, com maior ênfase na comparação entre a Célula de Teste Convencional e a Célula de Teste não Convencional; Comparar os resultados atingidos pela metodologia do Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios com os resultados atingidos pelo VisualDOE; Verificar o aumento de eficiência energética que pode ser atingindo com a aplicação de estufas; Os resultados obtidos com as simulações referidos e seus respectivos comentários serão apresentados no Capítulo 7. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 181

199 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 7. CAPÍTULO 7 RESULTADOS 7.1. RESULTADOS PRETENDIDOS Com esta dissertação pretendeu-se estudar a performance energética de algumas soluções inovadoras com vista à redução dos consumos energéticos no sector dos Edifícios e assim promover o desenvolvimento sustentável. Deste modo, podemos agrupar os resultados obtidos da seguinte forma: Recolha e análise de dados obtidos a partir do sistema de medição instalado nas Células de Teste (Caso de Estudo); Implementação de um modelo das Células de Teste com boa aproximação à realidade, de forma a garantir elevada precisão da simulação em VisualDOE; Análise da performance de algumas soluções construtivas não convencionais através de dados in-situ, simulação em VisualDOE, aplicação da metodologia de cálculo do RCCTE; Verificação da eficiência da metodologia de cálculo do RCCTE. Assim, a base do trabalho desta dissertação assenta na análise da performance energética das soluções propostas na Células de Teste (CT), com PÁGINA 182 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

200 CAPÍTULO 7 Resultados o recurso a dados in-situ, além da utilização de ferramentas de simulação para prever o desempenho energético de edifícios, depois de adequadamente calibrado o modelo a utilizar ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS IN-SITU Com recurso ao sistema de medição instalado nas Células de Teste foi confrontado a performance higrotérmica da Célula de Teste Convencional (CTC) com a da Célula de Teste não Convencional (CTnC), através da comparação entre a temperatura resultante 1 (Tr) e a humidade relativa (HR) de ambas as Células de Teste, em períodos de Primavera, Verão, Outono e Inverno. A humidade relativa foi obtida directamente do sistema medição, mas a temperatura resultante foi calculada a partir das equações 7.1 e 7.2: Equação 7.1 Equação 7.2 n αr TS + αc Ti Tr = ; T S = T SI F pi com: α + α r c i= 1 α r Coeficiente de transferência de calor por radiação (4.9 w/m2.ºk); α c Coeficiente de transferência de calor por convenção (2.9 w/m2.ºk); TSI Temperatura superficial interior (ºC); FPI Factor de posição ANÁLISE DE DADOS PRIMAVERA O período de Primavera escolhido foi entre 14 a 20 de Maio de 2004, devido às altas temperaturas verificadas neste mês, assim como ao facto de ter sido um período muito estável. Para além disso, nesta data as CT já possuíam Estufa e neste período a divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve fechada. 1 Esta temperatura entra em consideração com a temperatura interior (Ti) e a temperatura média radiante ( T S ) devido às superfícies circundantes Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 183

201 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Assim, a partir das Figuras 7.1 e 7.2 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes sentidas nas Células e no exterior. Humidade Relativa (%) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.1 Humidade relativa entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada. 40 Temperatura Resultante(ºC) CTnC - Sul CTC CTnC - Norte Exterior Hora Figura 7.2 Temperatura resultante entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada. PÁGINA 184 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

202 CAPÍTULO 7 Resultados Analisando este período, é possível concluir que a CTC vai apresentar sempre maiores HR. Relativamente a temperatura interiores, o compartimento norte da CTnC apresenta maior oscilação térmica, com as maiores temperaturas máximas assim como as menores temperaturas mínimas. No entanto, o compartimento Sul da CTnC possui temperaturas interiores inferiores às da CTC ANÁLISE DE DADOS VERÃO O período de Verão escolhido foi entre 15 a 20 de Setembro de 2003, devido a serem verificadas temperaturas normais para uma estação de Verão, assim como ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta estação. Nesta data as CT ainda não possuíam Estufa e neste período a divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve aberta. Assim, a partir das Figuras 7.3 e 7.4 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes sentidas nas Células e no exterior Humidade Relativa (%) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.3 Humidade relativa entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 185

203 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 40 Temperatura Resultante(ºC) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.4 Temperatura resultante entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta. Analisando este período, é possível concluir que a CTC vai apresentar sempre maiores HR. Relativamente a temperatura interiores, o compartimento norte da CTnC apresenta maior oscilação térmica, ou seja, as temperaturas máximas mais elevadas e as menores temperaturas mínimas mais baixas. No entanto, o compartimento Sul da CTnC possui temperaturas interiores semelhantes às da CTC, embora um pouco mais baixas ANÁLISE DE DADOS OUTONO O período de Outono escolhido foi entre 12 a 16 de Novembro de 2004, devido à verificação de temperaturas normais para a estação de Outono, assim como ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta estação. Nesta data as CT já possuíam Estufa e neste período a divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve fechada. Assim, a partir das Figuras 7.5 e 7.6 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes sentidas nas Células e no exterior. PÁGINA 186 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

204 CAPÍTULO 7 Resultados Humidade Relativa (%) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.5 Humidade relativa entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada. 40 Temperatura Resultante(ºC) CTnC - Sul CTC CTnC - Norte Exterior Hora Figura 7.6 Temperatura resultante entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada. Analisando este período, é possível concluir que o compartimento sul da CTnC vai apresentar sempre menores HR. Relativamente a temperaturas interiores, o compartimento norte da CTnC apresenta as menores temperaturas máximas assim como as menores temperaturas mínimas. No entanto, o compartimento Sul da CTnC possui temperaturas interiores semelhantes à da CTC, embora as temperaturas máximas sejam um pouco mais baixas. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 187

205 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ANÁLISE DE DADOS INVERNO O período de Inverno escolhido foi entre 17 a 23 de Janeiro de 2004, devido à verificação de temperaturas normais para a estação de Inverno, assim como ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta estação. Nesta data as CT ainda não possuíam Estufa e neste período a divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve aberta. Assim, a partir das Figuras 7.7 e 7.8 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes sentidas nas Células e no exterior Humidade Relativa (%) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.7 Humidade relativa entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta Temperatura Resultante(ºC) CTnC - Sul CTnC - Norte Hora CTC Exterior Figura 7.8 Temperatura resultante entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta. PÁGINA 188 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

206 CAPÍTULO 7 Resultados Analisando este período, é possível concluir que os três compartimentos têm comportamentos muito semelhantes relativamente à HR, embora um pouco mais baixas na CTC. Relativamente a temperaturas interiores, a CTnC apresenta as menores temperaturas máximas assim como as menores temperaturas mínimas, com um comportamento muito semelhante na parte Norte e a Sul COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DOS COMPARTIMENTOS Em termos gerais, é possível concluir que durante a estação de arrefecimento, a CTnC, compartimento Sul, apresenta um comportamento Higrotérmico semelhante ao da CTC, apresentando temperaturas interiores semelhantes, mas com menores humidades relativas. Este comportamento apenas é possível, relativamente a temperaturas interiores semelhantes, no caso da divisória entre o compartimento Sul e o Norte da CTnC se encontrar fechado. De outro modo, o compartimento Sul da CTnC apresenta performances inferiores às da CTC. Relativamente à estação de aquecimento, é possível verificar um melhor comportamento da CTC no que toca a maiores temperaturas interiores, principalmente no caso de a divisória entre o compartimento Sul da CTnC e o Norte estar aberta. No entanto, a CTC tem normalmente maiores HR. Este melhor comportamento da CTC pode ser explicado pelo facto desta Célula possuir um envidraçado de maiores dimensões, aumentando assim os ganhos solares directos. As altas humidades relativas da CTC durante a estação de arrefecimento podem ser um factor de desconforto, principalmente durante os períodos de temperaturas altas. Durante a estação de aquecimento, a HR não tem um peso significativo para o conforto. No entanto, altas humidades relativas são mais propícias para danificar os elementos de construção. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 189

207 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Com base nos dados recolhidos in-situ, é possível concluir que as performances térmicas da CTC e do compartimento Sul da CTnC são semelhantes, o que faz com que o compartimento Sul da CTnC seja viável pois apresenta menor energia incorporada e menor custo de construção. O compartimento Norte da CTnC apresenta uma performance térmica inferior; porém, este compartimento foi projectado para o aproveitamento da iluminação natural e não tinha como prioridade o comportamento térmico ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS COM A APLICAÇÃO DO NOVO RCCTE A aplicação da metodologia do novo RCCTE ao caso de estudo resultou na obtenção das Necessidades nominais de energia útil por estação de aquecimento e arrefecimento, por área útil de pavimento. Para a aplicação desta metodologia às Células de Teste, concluiu-se que seria mais eficiente considerar a CTnC apenas como uma zona independente, pois no caso de serem consideradas duas zonas (compartimento Norte e Sul), as trocas de calor entre elas não seriam convenientemente estimadas NECESSIDADES DE AQUECIMENTO O cálculo das necessidades de aquecimento foi executado para a Célula de Teste Convencional e Célula de Teste não Convencional, com a introdução de estufa e sem introdução de estufa. Assim, obtiveram-se os resultados apresentados na Tabela 7.1: Tabela 7.1 Necessidades de aquecimento para as CT Necessidades nominais de CTnC CTC energia útil para a estação Com Sem Com Sem de aquecimento: Estufa Estufa Estufa Estufa Totais [kwh/ano] Por área útil de pavimento [kwh/m 2.ano] Observando a tabela anterior é possível concluir que a CTC apresenta menores necessidades energéticas de aquecimento por área útil de PÁGINA 190 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

208 CAPÍTULO 7 Resultados pavimento, comparativamente à CTnC, algo que já seria previsível pela análise dos dados medidos in-situ, principalmente considerando que os resultados apresentados pelo RCCTE vêem a CTnC como um todo, resultando na penalização do compartimento Sul, devido às performances inferiores do compartimento Norte NECESSIDADES DE ARREFECIMENTO O cálculo das necessidades de arrefecimento foi executado para a Célula de Teste Convencional e Célula de Teste não Convencional, com a introdução de estufa e sem introdução de estufa. Assim, obtiveram-se os resultados apresentados na Tabela 7.2: Tabela 7.2 Necessidades de arrefecimento para as CT Necessidades nominais de CTnC CTC energia útil para a estação Com Sem Com Sem de arrefecimento: Estufa Estufa Estufa Estufa Totais [kwh/ano] Por área útil de pavimento [kwh/m 2.ano] Observando a tabela anterior, é possível concluir que a CTC apresenta menores necessidades energéticas de arrefecimento por área útil de pavimento, comparativamente à CTnC, algo que já seria previsível pela análise dos dados medidos in-situ, principalmente considerando que os resultados apresentados pelo RCCTE consideram a CTnC como um todo, resultando na penalização do compartimento Sul, que apresenta melhores performances, devido ao compartimento Norte, que possui performances inferiores COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DOS COMPARTIMENTOS Com a aplicação do RCCTE às CT, obtiveram-se menores necessidades energéticas anuais na CTC, como se pode observar na Tabela 7.3. Estes resultados vieram confirmar as conclusões retiradas a partir da análise dos dados recolhidos in-situ, os quais mostravam que a CTC tem um performance térmica ligeiramente superior. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 191

209 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Tabela 7.3 Necessidades energéticas anuais para as CT CTnC CTC Necessidades nominais de Com Sem Com Sem energia útil anuais Estufa Estufa Estufa Estufa Totais [kwh/ano] Por área útil de pavimento [kwh/m 2.ano] Por outro lado, é possível concluir que, para qualquer caso, a aplicação de um estufa na fachada Sul das CT é uma solução eficiente, resultando em reduções das necessidades energéticas anuais no ordem dos 7% para a CTnC, 28% para a CTC e 53% para a CTP. O aumento da eficiência energética é mais significativa na CTC, comparativamente à CTnC, pois uma vez que a CTC não segue um design bioclimático a margem de aumento de performance com a aplicação de soluções solares passivas é superior ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS COM A APLICAÇÃO DO VISUALDOE De forma a garantir que os resultados obtidos com a simulação efectuada no VisualDOE fossem representativos, foram comparadas as temperaturas interiores das Células de Teste medidas in-situ com as obtidas no VisualDOE. Para a obtenção do ficheiro climático foram utilizados dados recolhidos entre Outubro de 2003 e Setembro de 2004, pois no período entre Outubro de 2003 a Fevereiro de 2004 as Células de Teste ainda não possuíam estufa (construídas em Março de 2004), possibilitando assim a calibração das CT com e sem estufa. Assim, a partir das Figuras 7.9 a 7.12 é possível observar os desvios entre a simulação e os dados medidos in-situ e na Tabela 7.4 são esquematizados os erros obtidos em todas as CT sem estufa. PÁGINA 192 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

210 CAPÍTULO 7 Resultados Temperatura (ºC) 25 CTnC - Sul Novembro VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.9 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 10 a 16 de Novembro. Temperatura (ºC) CTnC - Norte Janeiro VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.10 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 1 a 7 de Janeiro. Temperatura (ºC) 32 CTC Fevereiro VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.11 Temperatura interior da CTC entre 9 a 14 de Fevereiro. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 193

211 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Temperatura (ºC) CTP Outubro VisualDOE "in-situ" Figura 7.12 Temperatura interior da CTP entre 11 a 17 de Outubro. Hora Tabela 7.4 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT sem estufa Erro médio Erro médio Célula de Meses utilizados do Estufa (temperatura) (percentual) Teste Ficheiro Climático ºC % CTnC - Sul Não Jan; Fev; Out; Nov; Dez CTnC - Norte Não Jan; Fev; Out; Nov; Dez CTC Não Jan; Fev; Nov; Dez CTP Não Jan; Fev; Out; Nov; Dez A partir das Figuras 7.13 a 7.16 é possível observar os desvios entre a simulação e os dados medidos in-situ e na Tabela 7.5 são esquematizados os erros obtidos em todas as CT com estufa. Temperatura (ºC) 31 CTnC - Sul Setembro VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.13 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 8 a 14 de Setembro. PÁGINA 194 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

212 CAPÍTULO 7 Resultados Temperatura (ºC) CTnC - Norte Junho VisualDOE "in-situ" Figura 7.14 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 18 a 24 de Junho. Hora Temperatura (ºC) 30 CTC Agosto VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.15 Temperatura interior da CTC entre 21 a 27 de Agosto. Temperatura (ºC) CTP Junho VisualDOE "in-situ" Hora Figura 7.16 Temperatura interior da CTP entre 6 a 12 de Junho. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 195

213 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Tabela 7.5 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT com estufa Célula de Teste Estufa Meses utilizados do Ficheiro Climático Erro médio (temperatura) ºC Erro médio (percentual) % CTnC - Sul Sim Ago; Set; Out CTnC - Norte Sim Ago; Set CTC Sim Abr; Mai; Jun; Jul; Ago; Set CTP Sim Jun; Jul; Ago; Set Analisando os dados apresentados pelas Figura 7.9 a 7.16 e pelas Tabelas 7.4 e 7.5, é possível concluir que os erros obtidos são inferiores quando se simulou as CT com estufa, o que pode resultar do facto de o período em estudo para este caso ser durante o Verão, quando as oscilações térmicas são mais reduzidas e com temperaturas superiores. Em qualquer caso, tendo em consideração que os erros obtidos dizem respeito a 1 ano de medições, os erros obtidos conseguem assegurar-nos que os resultados obtidos com aplicação do VisualDOE são representativos, sendo possível testar a performance energética das Células de Teste ANÁLISE DA PERFORMANCE DAS CÉLULAS DE TESTE Caso Base com os modelos das CT calibrados (com e sem estufa), foi introduzido no VisualDOE um sistema de climatização com temperatura de conforto para a estação de Aquecimento de 20º C e para a estação de Arrefecimento de 25º C e simulou-se o caso base das CT > situação real. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 7.6: Tabela 7.6 Energia consumida pelas Células de Teste, caso base. CTnC Energia consumida Compartimento Compartimento CTC (kwh/m 2.ano) por: Total* Sul Norte Aquecimento Com Arrefecimento Estufa Sem Estufa Total Aquecimento Arrefecimento Total *O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos, mas sim uma simulação diferente considerando apenas um compartimento na CTnC. Analisando os dados da Tabela 7.6, é possível concluir que o compartimento Sul da CTnC vai apresentar sempre a melhor performance energética. No PÁGINA 196 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

214 CAPÍTULO 7 Resultados entanto, se considerarmos a performance global da CTnC, esta é sempre inferior que a da CTC, embora para o caso sem estufa a diferença seja insignificante e para o aquecimento a CTnC até apresente uma melhor performance. Por outro lado confirma-se que a aplicação de uma estufa em cada CT resulta numa melhoria da performance energética em todos os casos. Primeira Alternativa para este caso corrigiu-se a espessura da folha de Policarbonato utilizado na fachada Norte do compartimento Norte da CTnC. Este foi projectado para utilizar duas folhas de Policarbonato, mas, por motivos alheios à Universidade do Minho, apenas foi utilizada uma folha de Policarbonato. Com esta modificação, o VisualDOE obteve os resultados apresentados na Tabela 7.7: Tabela 7.7 Energia consumida pelas Células de Teste, primeira alternativa. CTnC Energia consumida Compartimento Compartimento CTC (kwh/m 2.ano) por: Total* Sul Norte Aquecimento Com Arrefecimento Estufa Sem Estufa Total Aquecimento Arrefecimento Total *O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos, mas sim uma simulação diferente considerando apenas um compartimento na CTnC. Com a adição da segunda folha de policarbonato no compartimento Norte da CTnC, a performance energética da CTnC melhorou bastante, mantendo um alto grau de iluminação natural. Assim, considerando as CT sem estufa, antes da adição do Policarbonato, a CTC era 2% energeticamente mais eficiente que a CTnC. Depois da modificação, a CTnC passa a ser 10% mais eficiente que a CTC. No caso das CT com estufa, antes da adição do Policarbonato a CTC era 21% energeticamente mais eficiente que a CTnC; depois da modificação a CTC passa a ser apenas 9% mais eficiente que a CTnC. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 197

215 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Segunda Alternativa neste caso foi testada a influência da diminuição do vão da fachada Norte (2.4 X 1.8m => 1.4 X 0.4m) e substituição do Policarbonato por Vidro duplo, de forma a tornar o compartimento Norte da CTnC propício para ser utilizado como Quarto de dormir ou Sala de estar, ao contrário da intenção com que esta foi projectada Escritório. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 7.8: Tabela 7.8 Energia consumida pelas Células de Teste, segunda alternativa. CTnC Energia consumida Compartimento Compartimento CTC (kwh/m 2.ano) por: Total* Sul Norte Aquecimento Com Arrefecimento Estufa Sem Estufa Total Aquecimento Arrefecimento Total *O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos, mas sim uma simulação diferente considerando apenas um compartimento na CTnC. Com a redução do vão envidraçado e substituição do Policarbonato por Vidro duplo, no compartimento Norte da CTnC, a performance energética da CTnC melhorou bastante, mas reduzindo o grau de iluminação natural. Assim, considerando que no caso base das CT sem estufa a CTC era 2% energeticamente mais eficiente que a CTnC, depois da modificação a CTnC passa a ser 23% mais eficiente que a CTC. Considerando o caso base das CT com estufa, a CTC era 21% energeticamente mais eficiente que a CTnC. Depois da modificação a CTnC passa a ser 9% mais eficiente que a CTC. Assim, a CTnC adquire uma performance energética mais eficiente que a CTC em qualquer caso e para as CT sem estufa, a CTnC até possui menores consumos para a estação de aquecimento, assim como para a estação de arrefecimento. Terceira Alternativa considerando que foram utilizados três sistemas construtivos distintos nas CT: 1. CTC sistema convencional com paredes duplas de tijolo e isolamento na caixa-de-ar; PÁGINA 198 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

216 CAPÍTULO 7 Resultados 2. Compartimento Sul da CTnC utilização de paredes de adobe; 3. Compartimento Norte da CTnC utilização de paredes duplas leves com isolamento na caixa-de-ar. Foi simulada a performance energética das Células de Teste para o caso de as três Células apresentarem o mesmo sistema construtivo. Os resultados são apresentados na Tabela 7.9: Tabela 7.9 Energia total consumida pelas Células de Teste, terceira alternativa. Energia total consumida CTnC CTC (kwh/m 2.ano) Compartimento Sul Compartimento Norte Total* 1 Tijolo Com 2 Parede Leve Estufa Sem Estufa 3 - Adobe Tijolo Parede Leve Adobe *O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos, mas sim uma simulação diferente considerando apenas um compartimento na CTnC. Observando a Tabela 7.9 é possível concluir que a CTC e o compartimento Sul, para o caso com estufa, possuem performances energéticas muito semelhantes, enquanto que para o caso sem estufa, a performance energética do compartimento Sul da CTnC é um pouco superior que a da CTC. O compartimento Norte da CTnC apresenta sempre performances energéticas inferiores. Relativamente aos sistemas, é possível observar que o sistema de paredes duplas de tijolo apresenta sempre performances inferiores, o sistema de paredes de adobe tem uma performance ligeiramente superior quando aplicada na CTnC, enquanto que o sistema de Parede duplas leves tem uma performance ligeiramente superior quando aplicada na CTC COMPARAÇÃO COM OS RESULTADOS OBTIDOS NO RCCTE De forma a testar a prestação da metodologia do RCCTE, para previsão das necessidades de aquecimento e arrefecimento, foram comparados os resultados obtidos com a aplicação da metodologia do RCCTE às CT, com os obtidos com a aplicação do VisualDOE (apenas para os períodos Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 199

217 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE considerados pelo RCCTE como estação de aquecimento e estação de arrefecimento). Assim a Tabela 7.10 mostra o resultado desta comparação: Tabela 7.10 Comparativo entre necessidades energéticas das CT obtidas pelo RCCTE e pelo VisualDOE. Necessidades de Necessidades de Células de Erro Erro Aquecimento (kwh/m 2.ano) Arrefecimento (kwh/m 2.ano) Teste (%) (%) VisualDOE RCCTE VisualDOE RCCTE CTnC Com CTP Estufa CTC CTnC Sem CTP Estufa CTC A partir da Tabela 7.10 foi possível concluir que o RCCTE apresenta resultados com erros reduzidos, embora para a CTP o erro seja já significativo (erro médio de 29.5%). Como a CTP possui inércia térmica quase nula, um vão de grandes dimensões, grande espessura de isolamento (20 a 25 cm) e aplicação de materiais não convencionais (PCM óleo de côco), pode prever-se que o RCCTE não consiga simular eficazmente o comportamento da CTP. A CTnC é, estranhamente, aquela cujas necessidades energéticas o RCCTE consegue prever com maior rigor (erro médio de 6.5%). Tal pode dever-se ao facto de a CTC possuir um vão de maiores dimensões na fachada Sul e tal implicar um menor rigor na previsão das necessidades para a CTC (erro médio de 13.4%). PÁGINA 200 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

218 CAPÍTULO 8 Conclusões e Expectativas Futuras 8. CAPITULO 8 CONCLUSÕES E EXPECTATIVAS FUTURAS 8.1. CONCLUSÕES Apresentando como ponto de partida as Células de Teste (CT) construídas na Escola de Engenharia da Universidade do Minho, foram realizadas várias experiências com o intuito principal de aferir a performance energética das soluções não convencionais apresentadas nas CT. Assim, pela análise dos dados obtidos in-situ através do sistema de medição instalado nas CT, foi possível concluir que o compartimento Sul da Célula de Teste não Convencional (CTnC) apresenta uma performance higrotérmica semelhante à da Célula de Teste Convencional (CTC), enquanto que o compartimento Norte da CTnC apresenta uma performance ligeiramente inferior. Relativamente à prestação da introdução de uma estufa, não foi possível tirar conclusões com bom grau de segurança, através da análise dos dados insitu, pois os parâmetros climáticos, durante os períodos de medição com e sem estufa, não seguiram os mesmos padrões, impossibilitando uma adequada comparação da performance das CT com e sem estufa. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 201

219 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Complementarmente às análises dos dados recolhidos in-situ, foi estudado o desempenho térmico das CT através da aplicação da metodologia proposta pelo RCCTE, verificando-se que a CTC apresenta melhores performances energéticas que a CTnC. No entanto, o RCCTE apenas permite simular a CTnC como um todo, ou seja, não permite simular em separado o compartimento norte e o sul da CTnC, tendo sido penalizado o compartimento Sul da CTnC pelas performances inferiores do Compartimento Norte. Adicionalmente, os resultados obtidos com o RCCTE mostram que a aplicação de uma estufa aumenta a performance energética de ambas as CT. Comparando os resultados obtidos com o RCCTE com os obtidos com a simulação dinâmica em VisualDOE, concluiu-se que o RCCTE não apresenta grandes desvios no cálculo da performance para a CTnC (6.5%). Porém, para a CTC os desvios são um pouco mais significativos (13.4%) e para a CTP os desvios são muito significativos (29.5%). Assim, o RCCTE apresenta bons resultados na previsão do comportamento energético de edifícios, principalmente para situações com vãos de médias dimensões. Para a aplicação do VisualDOE ao caso de estudo das CT, foi necessária a obtenção de um ficheiro climático, assim como a calibração do modelo, de forma a garantir que os resultados obtidos com esta ferramenta de simulação fossem válidos. Por outro lado, também foram comparadas as temperaturas interiores das CT medidas in-situ com as obtidas pelo VisualDOE e verificou-se que os erros apresentados pelo VisualDOE são aceitáveis entre 0.8 a 1.5 ºC. Com o modelo calibrado foi verificada a performance do caso base (situação real) e concluiu-se que o compartimento Sul da CTnC apresenta performances energéticas semelhantes às da CTC, mas com uma ligeira vantagem na estação de aquecimento. Considerando a CTnC como um todo, esta já apresenta piores performances, principalmente na estação de arrefecimento. Contudo, para o case base sem estufa, a CTnC tem uma performance final muito semelhante à da CTC, apresentando melhores resultados para a estação de aquecimento, mas piores para a estação de arrefecimento. PÁGINA 202 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

220 CAPÍTULO 8 Conclusões e Expectativas Futuras Seguidamente, foi utilizado o VisualDOE de forma a prever a performance da CTnC com algumas modificação no modelo base: Primeira Alternativa adição de um pano de policarbonato na fachada Norte do compartimento Norte da CTnC; Segunda Alternativa redução do vão e substituição do Policarbonato por Vidro duplo na fachada Norte do compartimento Norte da CTnC; Terceiro Alternativa análise da performance das CT se estas apresentassem todas o mesmo sistema construtivo (1 paredes duplas de tijolo com isolamento na caixa de ar; 2 paredes em adobe; 3 paredes leves com isolamento). A partir das modificações efectuadas concluiu-se que: Com a aplicação de uma segunda folha de policarbonato na fachada norte do compartimento norte da CTnC, a performance energética da CTnC é superior à da CTC em 10%, quando estas não possuem estufa. Para o caso da CT com estufa a performance energética da CTC ainda é 9% superior à da CTnC; No caso de se alterar a fachada norte da CTnC, com a diminuição do vão e substituição do Policarbonato por vidro duplo, a performance energética da CTnC é 23% ou 9% mais eficiente que a CTC, para o caso sem estufa ou com estufa, respectivamente; Com a aplicação de paredes duplas de tijolo com isolamento na caixa-de-ar em todas as CT confirmou-se que estas apresentam as piores performances energéticas, quando comparadas com as mesmas Células mas construídas com paredes em adobe ou paredes leves com isolamento. Por outro lado o sistema de parede de adobe apresenta a melhor performance quando aplicado à CTnC e o sistema de paredes duplas leves com isolamento na caixa-de-ar apresenta a melhor performance quando aplicado à CTC. A partir do estudo realizado nesta dissertação foi concluiu-se que a utilização de soluções com preocupações bioclimáticas e a utilização de materiais com Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 203

221 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE menor energia incorporada e de disponibilidade local, podem ser soluções com performances energéticas semelhantes ou superiores às soluções convencionais utilizadas em Portugal. Como tal, a utilização de soluções inovadoras podem ser benéficas quer a nível ambiental, como a nível energético, resultando assim em soluções que impulsionem o Desenvolvimento Sustentável EXPECTATIVAS FUTURAS Com o intuito de apresentar uma solução não convencional com boa performance energética, projectada com considerações bioclimáticas e possuindo materiais com baixa energia incorporada e de disponibilidade local, é proposto que se altere a fachada Norte da Célula de Teste não Convencional, de uma forma faseada: 1º Adição de um pano adicional de Policarbonato de forma a confirmar o bom desempenho energético da solução; 2º Redução do vão e alteração do Policarbonato para vidro duplo, de forma a obter-se uma solução com uma performance energética superior à convencional. Com o objectivo de aumentar o rigor das simulações e medir o consumo energético das Células de Teste in-situ, é necessário que seja implementado um sistema de climatização nas CT e assim demonstrar que os sistemas construtivos ecológicos propostos, também possam apresentar boas performances energéticas, quando são utilizados sistemas de climatização activos. Por outro lado, será útil aproveitar as potencialidades das Células de Teste de forma a testar a implementação de outras soluções inovadoras nas fachadas, tal como fachadas que potenciem o aproveitamento da energia solar. Para tal, podem ser utilizadas fundamentalmente a: PÁGINA 204 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

222 CAPÍTULO 8 Conclusões e Expectativas Futuras Célula de Teste tipo Passys esta Célula é ideal para o estudo da performance de fachadas inovadoras pois toda a restante envolvente possui grandes quantidades de isolamento, possibilitando assim a identificação da eficiência energética da fachada a estudar; Célula de Teste Convencional como esta Célula representa a construção típica Portuguesa, com a implementação de fachadas inovadoras nesta Célula é possível estudar a eficiência da integração de fachadas inovadoras nas soluções típicas Portuguesas, tal será importante, principalmente, para soluções de reabilitação. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 205

223 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE AI. ANEXO I FICHEIRO CLIMÁTICO DO VISUALDOE AI.1. PREPARAÇÃO DO FICHEIRO CLIMÁTICO Por forma a obter um ficheiro climático para qualquer ferramenta de simulação é necessário conhecer: 1 - as variáveis climáticas que a ferramenta requer para o ficheiro climático; 2 - unidades das variáveis; 3 - periodicidade das variáveis (horários, mensais, etc). Assim, a partir da consulta do Manual Climático do DOE-2 (Buhl, 1999) foi possível saber os parâmetros referidos, como se pode observar na Tabela AI.1: Tabela AI.1 Parâmetros necessários do ficheiro climático para o VisualDOE. Parâmetros Necessários Unidade Periodicidade Temperatura de bolbo seco ºF Horária Temperatura de bolbo húmido ºF Horária Razão de humidade lb água / lb ar seco Horária Entalpia Btu/lb Horária Precipitação sim / não Horária Direcção do Vento 16 pontos da rosa dos ventos Horária Velocidade do vento nós Horária Radiação solar total horizontal Btu/hr.pé 2 Horária PÁGINA 206 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

224 ANEXO I Obtenção do Ficheiro Climático Parâmetros Necessários Unidade Periodicidade Radiação solar directa Btu/hr.pé 2 Horária Índice de claridade - Mensal Temperatura do solo Rankine Mensal Como se pode observar na Tabela AI.1, todas as unidades dos parâmetros são baseadas no sistema IP. Atentando para o facto do sistema de medição utilizado no caso de estudo registar os valores em unidades SI, é necessário converter os valores medidos. Assim, foram utilizadas as conversões apresentadas na Tabela AI.2: Tabela AI.2 Conversão de unidades. Parâmetro Temperatura Pressão Massa Entalpia Velocidade Conversão IP/SI ºF = ºC*(9/5) + 32 ºR = ºF inhg = kpa 1 lb = kg 1 Btu/lb = kj/kg 1 nó = m/s Fluxo de calor 1 Btu/hr.pé 2 = W/m 2 AI.1.1. OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS Os parâmetros a empregar no ficheiro climático podem ser obtidos através da sua medição in-situ ou através da combinação de outros parâmetros. Assim, para o caso de estudo, os parâmetros medidos in-situ foram: 1. Temperatura de bolbo seco; 2. Precipitação; 3. Direcção do vento; 4. Velocidade do vento; 5. Radiação solar total horizontal. Por outro lado, os parâmetros obtidos por combinação dos dados medidos in-situ foram: Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 207

225 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 1. Razão de humidade; 2. Temperatura de bolbo húmido; 3. Entalpia; 4. Radiação solar directa; 5. Índice de claridade. O único parâmetro onde foram utilizados valores tabelados foi a temperatura do solo, pois este elemento é muito estável, não sofrendo grandes alterações com as diferentes condições atmosféricas, além de ser muito semelhante ao longo dos anos. 1. Razão de humidade (W) para o cálculo deste parâmetro foi necessário obter a pressão de saturação (Ps) e a pressão de vapor (Pv), através das Equação AI.1 e AI.2. Seguidamente, é possível obter a razão de humidade aplicando a Equação AI.3: Equação AI.1 Equação AI.2 ( T )/( ) ext T e ext HR Ps = (kpa); Pv = Ps (kpa); Equação AI.3 Pv W = (kgh2o/kgas) com: Pv Text Temperatura exterior (ºC); HR Humidade relativa (%). 2. Temperatura de bolbo húmido (TBH) para o cálculo deste parâmetro foi necessário utilizar o Método Iterativo Composto 1, pois a equação utilizada para calcular a TBH necessita do valor da razão de humidade (W*s) à temperatura de bolbo húmido, que necessita do valor da TBH para o seu cálculo. Assim, na primeira iteração é utilizado o valor da temperatura exterior de bolbo seco para calcular o parâmetros W*s. Seguidamente é utilizada a Equação AI.4 para calcular a TBH. Para a segunda iteração, é 1 O Método Iterativo Simples (MIS) foi preterido em relação ao composto pelo facto do MIS aplicado a este caso resultava em valores que não convergiam para um valor estável. PÁGINA 208 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

226 ANEXO I Obtenção do Ficheiro Climático utilizada a média entre o valor inicial e o final da primeira iteração [(TBH(i)+TBH(i-1))/2]. Este processo será repetido até se chegar a erros insignificantes, entre iterações. Equação AI.4 W ( Text) 2501 W * s + T TBH = W * s W ext (ºC) 3. Entalpia (E) para o cálculo deste parâmetro foi necessário utilizar a temperatura exterior (Text) em ºF, de forma a obter o valor da Entalpia directamente nas unidades requeridas pelo VisualDOE (Btu/lb), como se pode observar na Equação AI.5: Equação AI.5 E = 0.24 T + ( T ) W (Btu/lb) ext ext 4. Radiação Solar Directa normal (Idis_N) para o cálculo deste parâmetro foi necessário obter a declinação solar (δ), a equação do tempo (Et), o tempo solar (tsol), a altura solar (H), o ângulo solar horários (θs), por forma a definir geometricamente o movimento do sol. Por outro lado também foi necessário obter a constante solar (I0), o índice de claridade (KT), a radiação difusa horizontal (Idif_H) e a radiação directa horizontal (Idif_H). Para tal foram utilizadas as Equações AI.6 a AI.11 e AI.12 a AI.16: Equação AI.6 ( n 10) δ = asin sin23.45 cos (º); Equação AI.7 n 81 B = 360 ; 364 Equação AI.8 Equação AI.9 Et = 9.87 sin(2b) 7.53 cos( B) 1.5 sin( B) (min); ( T 12) 360 H = SOL (º); 24 Equação AI.10 Equação AI.11 θ S = acos ( cos( λ) cos( δ) cos( H) + sin( λ) sin( δ )) (º); T SOL = T Loc Et λ + + com: Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 209

227 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE n dia do ano; TLoc hora local; λ longitude (º); Equação AI n I 0 = cos 1373 (w/m 2 ); Equação AI.14 Equação AI.13 K I = glo ; T I0 cosθ S Equação AI.15 Iglo ( K T ) 0 K T 0.35 I dif _ H = Iglo ( K T ) 0.35 K T 0.75 (w/m 2 ); I dir_ H = Iglo Idif _ H (w/m 2 ); Iglo K T 0.75 I Equação AI.16 dis _ N Idir _ H = (w/m 2 ) com: sin( θ ) S Iglo radiação solar total horizontal (w/m 2 ). 5. Índice de Claridade (KT) para o cálculo deste parâmetro foi necessário obter a radiação solar total horizontal (Iglo), a constante solar (I0) e o ângulo solar (θs), em termos de médias mensais, de forma a aplicar a Equação AI.13. Para o cálculo dos parâmetros 1 a 4, referidos anteriormente, e dado que estes têm uma periodicidade horária, foi necessário utilizar o Microsoft Excel para aplicar as Equações apresentadas às 8760 horas que perfazem um ano, como se pode observar na Figura AI.1. Relativamente ao parâmetro 5, a folha de cálculo do Excel foi utilizada para o cálculo das médias mensais necessárias. PÁGINA 210 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

228 ANEXO I Obtenção do Ficheiro Climático Figura AI.1 Folha de cálculo utilizada para obter os parâmetros necessários para o ficheiro climático. AI.2. GERAÇÃO DO FICHEIRO CLIMÁTICO Com todos os parâmetro necessários para o ficheiro climático definidos, o passo seguinte será a geração do ficheiro climático. Para tal, é imprescindível organizar os parâmetros da forma requerida pelo VisualDOE, em termos da ordem de introdução dos parâmetros, casas decimais a apresentar e espaçamento de colunas, como se pode observar na Figura AI.2. Figura AI.2 Organização de parâmetros de forma a gerar um ficheiro climático. Seguidamente é necessário gravar o ficheiro de Excel com o formato *.prn Formatted text (space delimited). O passo seguinte será mudar a extensão do ficheiro criado de *.prn => *.fmt, de forma a ser reconhecido pelo VisualDOE. Depois de criado o ficheiro *.fmt é necessário introduzir o nome, latitude, Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 211

229 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE longitude e zona horária do local, assim como assinalar se o ficheiro contém dados de radiação solar, como se pode observar na Figura AI.3. Figura AI.3 Ultimação do ficheiro climático para o VisualDOE. Por último é necessário utilizar a ferramenta de conversão que o VisualDOE possui (Figura AI.4) e transformar o ficheiro de texto criado (*.fmt) num ficheiro binário (*.bin), o qual pode então ser utilizado pelo VisualDOE como ficheiro climático. Figura AI.4 Ferramenta de conversão do VisualDOE para o ficheiro climático. PÁGINA 212 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

230 ANEXO II Coeficiente de Condutibilidade Térmica In-Situ AII. ANEXO II COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA IN-SITU AII.1. JUSTIFICAÇÃO O conhecimento da resistência térmica real dos componentes da envolvente do edifício 1 é muito importante, quer em edifícios novos, como em edifícios antigos, pois: Edifícios novos de forma a determinar se a qualidade da construção corresponde à que foi proposta pelo projecto. A utilização de material ou mão-de-obra de baixa qualidade pode levar a que componentes do edifício não tenham a performance inicialmente projectada; Edifícios antigos o conhecimento da resistência térmica da envolvente é importante para determinar se o edifício necessita da aplicação, ou não, de isolamento térmico ou outras medidas para baixar o consumo energético. Assim, através da medição in-situ, é possível justificar um 1 Um componente da envolvente do edifício é uma porção da envolvente do edifício que tem uma construção consistente, tal como uma parede, cobertura, pavimento, janela, porta. Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 213

231 Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE investimento em medidas de redução do consumo energético que não seria possível através de cálculos a partir de dados publicados; Edifícios de teste com o conhecimento da resistência térmica real dos componentes dos edifícios é possível testar materiais novos, que não possuem valores tabelados para a resistência térmica, assim como aumentar o rigor das simulações da performance energética efectuadas. AII.2. MÉTODO UTILIZADO O método utilizado para o cálculo da resistência térmica in-situ, de elementos da envolvente, foi a técnica do Somatório ASTM (Norma C ), que dita o cumprimento de certos requisitos para que seja possível obter a resistência térmica in-situ dos elementos da envolvente com um alto grau de confiança: O percurso do fluxo de calor tem de ser perpendicular à superfície em questão, ou seja, não podem existir fenómenos que perturbem o fluxo de calor, tais como pontes térmicas, entre outros; Tem de haver um gradiente térmico significativo entre o exterior e o interior; Têm de ser escolhidos intervalos de tempo que não provoquem diferenças na resistência térmica calculada em mais de 10%. A partir desta técnica, é possível obter a resistência térmica de elementos da envolvente com a colocação de sensores de temperatura 2 na superfície exterior e interior e com a colocação de sensores de fluxo de calor 3 no elemento da envolvente, que necessita obter a resistência térmica. Assim, os dados recolhidos in-situ são: 2 Um sensor de temperatura é um aparelho que produz um sinal contínuo, função da temperatura, como por exemplo um termopar. 3 Um sensor de fluxo de calor é um aparelho que produz um sinal contínuo, função do fluxo de calor, como por exemplo um transdutor de fluxo de calor. PÁGINA 214 Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva

232 ANEXO II Coeficiente de Condutibilidade Térmica In-Situ Temperatura superficial interior do elemento i TiS (Figura AII.1); Temperatura superficial exterior do elemento i TeS (Figura AII.2); Fluxo de calor através do elemento i qi (Figura AII.1); Figura AII.1 Sensor de fluxo de calor e temperatura superficial interior instalados na Célula de Teste Convencional. Figura AII.2 Sensor de temperatura superficial exterior instalado na Célula de Teste não Convencional. Assim, para cada intervalo de tempo escolhido (cada intervalo de tempo terá de ser múltiplo de 24h), a resistência térmica estimada (Re) é calculada a partir das Equações AII.1 e AII.2: Universidade do Minho Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Civil PÁGINA 215