Avaliação Técnico-Económica de Sistemas de AVAC

Departamento de Engenharia Electrotécnica Avaliação Técnico-Económica de Sistemas de AVAC Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia Autor Luís Filipe Batista Marques Orientador Doutor Fernando Ferreira Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, Dezembro, 2011

Dedicatória À minha esposa Laura Isabel, e ao meu filho Bruno Filipe i

Agradecimentos Desde o início do mestrado, contei com o apoio de várias pessoas. Sem o seu contributo, a elaboração deste trabalho não teria sido possível. Ao Professor Doutor Fernando José Teixeira Estêvão Ferreira, orientador deste trabalho de projecto, agradeço o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribuições para o trabalho. Acima de tudo, agradeço por me ter acompanhado nesta jornada e ter estimulado o meu interesse pelo conhecimento. Ao Engenheiro João Esteves, sócio-gerente da VISMEC, que prescindiu de algum do seu precioso tempo para responder às minhas questões, o meu muito obrigado. Um agradecimento especial ao Engenheiro Paulo Sousa, da DAIKIN-Portugal, pelo enorme interesse e disposição em colaborar sempre que solicitada a sua ajuda. A sua longa experiência foi particularmente útil na elaboração deste trabalho. Sou muito grato ao Engenheiro Nuno Miguel Afonso Nobre, Engenheiro Técnico da FINILUZ, por me ter disponibilizado equipamento de iluminação para a realização de testes e ensaios. Aos colegas de curso, em particular ao José Lemos, José Gomes, Joaquim Jesus e Eduardo Gordo, exemplo de solidariedade. Não posso deixar de agradecer à minha esposa e ao meu filho pelo apoio, pela paciência, pela compreensão e dedicação ao longo deste trabalho. O meu profundo e sincero agradecimento a todas as pessoas que contribuíram para a realização deste Relatório de Projecto. iii

Resumo Os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, também conhecidos como sistemas de AVAC, devem garantir condições de conforto. Estas condições serão encontradas compensando a energia libertada pelos ocupantes, equipamentos e aparelhos de iluminação e a consideração dos ganhos ou perdas das envolventes, que alteram as temperaturas dos espaços interiores. O objectivo principal deste trabalho visa comparar e optimizar dois sistemas de AVAC mais comummente utilizados (sistema Chiller/Bomba de calor e sistema VRV a dois tubos), para um edifício com uma área de 2250 m 2, destinado ao apoio à 3ª idade e infantário. Para garantir a maximização destes dois sistemas é necessário o cálculo das cargas térmicas de acordo com o perfil de utilização, ou seja, a ocupação dos espaços ao longo de cada hora do dia. Dada a enorme variedade de equipamentos AVAC no mercado, no presente caso de estudo, faz-se uma análise técnico-económica comparativa das tecnologias comerciais mais relevantes, na qual se abordam diversos aspectos-chave, nomeadamente, o conforto térmico interior e os requisitos de qualidade do ar e os critérios de selecção e dimensionamento do equipamento, incluindo o tempo de vida útil, custo e retorno do investimento. Uma visão geral sobre a legislação Portuguesa e regras associadas à concepção e implementação dos sistemas de AVAC também são apresentadas. Palavras-chave: Eficiência Energética, Equipamento AVAC, Selecção de Equipamento AVAC, Dimensionamento de Equipamento AVAC. v

Abstract The heating, ventilation and air conditioning systems, also known as HVAC systems, must ensure comfort conditions. These conditions will be achieved by compensating the energy released by the occupants, equipment and lighting and addressing the gains and losses of surrounding, factors responsible for altering the temperature of the interior spaces. The main purpose of this study is to compare and optimize the two most commonly used HVAC systems (Chiller/Heat pump and VRV two pipes), for a building with an area of 2250 m 2, aimed for the support of the 3rd age people and kindergarten. To ensure maximization of these two systems it is necessary to calculate the thermal loads in accordance with the usage profile, i.e., the occupation of spaces throughout each hour of the day. Given the huge variety of HVAC equipment in the market, for a particular case study, a comparative technical and economic analysis of the most relevant commercial technologies is offered, in which the key aspects are addressed, namely, the indoor thermal comfort and air quality requirements, as well as the equipment selection and sizing criteria, including the lifespan, cost and payback time. An overview on the main Portuguese legislation and rules associated with the implementation of HVAC systems is also presented. Keywords: Energy efficiency, HVAC Equipment, HVAC Equipment Selection, HVAC Equipment Sizing. vii

Índice Agradecimentos Resumo Abstract Índice Lista de Figuras Lista de Tabelas Nomenclatura iii v vii ix xi xiii xv 1 Introdução 1 1.1 Considerações Iniciais 1 1.2 Decreto-Lei 78/2006 (SCE) 2 1.3 Decreto-Lei 79/2006 (RSECE) 2 1.4 Decreto-Lei 80/2006 (RCCTE) 4 2 Cargas Térmicas 7 2.1 Ganhos Solares 7 2.1.1 Radiação Solar 7 2.1.2 Movimento da Terra à Volta do Sol 9 2.1.3 Declinação Solar 10 2.2 Conforto Térmico 11 2.3 Ganhos Internos 12 2.3.1 Calor Libertado pela Actividade Metabólica dos Ocupantes 14 2.3.2 Iluminação 16 2.3.3 Equipamentos 26 2.4 Ganhos Externos 31 2.4.1 Transmissão de Calor 31 3 Eficiência Energética 47 3.1 Ciclo de Carnot 47 3.2 Etiquetagem Energética 49 3.3 Eficiência dos Processos de Ventilação 49 ix

4 Equipamentos de AVAC 53 4.1 Métodos de expansão 55 4.2 Bomba de Calor 56 4.3 VRV e Unidades Interiores 59 4.3.1 VRV (Volume de Refrigerante Variável) 59 4.4 Chiller e Ventilo-Convectores 61 4.4.1 Chiller 61 4.4.2 Ventilo-Convector 62 5 Caso de Estudo 65 5.1 Metodologia Utilizada 66 5.1.1 Temperaturas Médias 68 5.1.2 Caudais Individuais 70 5.1.3 Iluminação 70 5.1.4 Actividade Metabólica 70 5.1.5 Equipamentos 71 5.1.6 Envolvente 71 5.1.7 Potência de Aquecimento 74 5.1.8 Potência de Arrefecimento 75 5.1.9 Potências de Cálculo 76 5.1.10 Cálculo dos Custos 83 5.1.11 Tempo de Retorno do Investimento 84 6 Conclusão 89 Referências 93 Anexos 95 Anexo I Compressor Scrool 95 Anexo II Sistema VRV a Três Tubos 97 x

Lista de Figuras Figura 1 - Radiação solar.... 8 Figura 2 - Valores da média diária para o mês de Janeiro em Coimbra.... 8 Figura 3 - Energia solar diária ao longo dos meses do ano.... 9 Figura 4 - Plano elíptico.... 9 Figura 5 - Declinação solar.... 10 Figura 6 - Zonas de conforto para as estações de Verão e Inverno..... 11 Figura 7 - Rendimento (lm/w) de vários tipos de lâmpadas de 230 V, 50 Hz... 18 Figura 8 - Espectro electromagnético.... 19 Figura 9 - Combinação das três cores primárias... 21 Figura 10 - Lâmpada Fluorescente compacta.... 22 Figura 11 - Armadura LED.... 22 Figura 12 - Luxímetro utilizado para medir a iluminância.... 22 Figura 13 - Imagem termográfica da armadura LED.... 23 Figura 14 - Imagem termográfica da lâmpada fluorescente compacta.... 23 Figura 15 - Espectro harmónico da armadura de LED.... 24 Figura 16 - Espectro harmónico da lâmpada fluorescente compacta.... 25 Figura 17 - Imagem termográfica de uma aparelhagem de som.... 26 Figura 18 - Imagem termográfica de um Split de ar condicionado.... 27 Figura 19 - Imagem termográfica de um disco rígido externo.... 27 Figura 20 - Imagem termográfica de um conjunto de lâmpadas de halogéneo.... 27 Figura 21 - Imagem termográfica de uma lâmpada incandescente (tipo foco).... 28 Figura 22 - Imagem termográfica de um plafond com lâmpadas incandescentes.... 28 Figura 23 - Imagem termográfica de máquina de café de cápsulas.... 28 Figura 24 - Imagem termográfica de uma Box e de um Modem.... 29 Figura 25 - Imagem termográfica de uma televisão LCD.... 29 Figura 26 - Balanço de energia.... 32 Figura 27 - Transferência de calor..... 33 Figura 28 - Condutibilidade térmica de várias camadas... 34 Figura 29 - Ligação da fachada com pavimento sobre locais não aquecidos.... 38 Figura 30 - Zonas climáticas em Portugal Continental: a) Inverno; b) Verão.... 39 Figura 31 - Pala horizontal e pala vertical.... 42 Figura 32 - Factor de sombreamento do horizonte.... 43 Figura 33 - Ciclo de compressão a vapor de Carnot.... 47 Figura 34 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 60%..... 52 Figura 35 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 80%.... 52 Figura 36 - Método de expansão directa.... 56 Figura 37 - Método de expansão indirecta.... 56 Figura 38 - Circuito frigorífico.... 57 Figura 39 - Unidades de bombas de calor vendidas entre 2005 à 2009 em 9 países europeus. 58 Figura 40 - Total de vendas por produto em 2008 em 9 países europeus.... 58 Figura 41 - Sistema VRV a dois tubos.... 59 Figura 42 - Sistema VRV a três tubos.... 60 Figura 43 - Taxa média de crescimento anual de 2007 a 2012..... 61 xi

Figura 44 - Chiller com arrefecimento a ar.... 62 Figura 45 - Ventilo-Convector para tecto falso.... 62 Figura 46 - Edifício de apoio à 3ª idade e infantário.... 65 Figura 47 - Esquema metodológico.... 67 Figura 48 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para o mês de Janeiro.... 68 Figura 49 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para mês de Julho.... 69 Figura 50 - Temperaturas médias diário ao longo do ano.... 69 Figura 51 - Pontes térmicas lineares: a) Pavimento em contacto com o solo; b) Laje entre dois espaços interiores; c) Desvão não ventilado.... 73 Figura 52 - Potência de aquecimento necessária ao longo de um dia.... 75 Figura 53 - Potência de arrefecimento necessária ao longo de um dia.... 76 Figura 54 - Cálculo da humidade relativa de 50 %, 25 C bolbo seco.... 77 Figura 55 - COP, VRV (RXYQ 10) em modo de aquecimento..... 78 Figura 56 - EER, VRV (RXYQ 12) em modo de arrefecimento..... 78 Figura 57 - Potência absorvida, VRV em modo de arrefecimento (RXYQ 8)..... 79 Figura 58 - Potência absorvida, VRV em modo de aquecimento (RXYQ 8)..... 79 Figura 59 - Potência absorvida, Chiller em modo de arrefecimento (EWYQ 80).... 80 Figura 60 - Potência absorvida, Chiller em modo de aquecimento (EWYQ 80).... 80 Figura 61 - Potência activa absorvida em modo de aquecimento ao longo de um dia.... 81 Figura 62 - Potência activa absorvida em modo de arrefecimento ao longo de um dia.... 81 Figura 63 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de aquecimento.... 82 Figura 64 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de arrefecimento.... 82 Figura 65 - Custos anuais de energia em BTE e MT.... 83 Figura 66 - Custos dos sistemas e custos anuais em MT.... 86 Figura 67 - Custos dos sistemas e custos anuais em BTE.... 87 xii

Lista de Tabelas Tabela 1 - Valores da declinação solar no 21º dia de cada mês.... 11 Tabela 2 - Caudais mínimos de ar novo.... 13 Tabela 3 - Consumo de oxigénio para diferentes níveis de actividade.... 15 Tabela 4 - Classificação da taxa metabólica de várias actividades.... 15 Tabela 5 - Lâmpada incandescente Philips... 17 Tabela 6 - Lâmpada fluorescente compacta Philips..... 17 Tabela 7 - Preços de lâmpadas incandescentes e fluorescentes.... 17 Tabela 8 - Custos associados às lâmpadas incandescentes e fluorescentes.... 17 Tabela 9 - Calor radiante e calor convectivo..... 18 Tabela 10 - Factores de tolerância.... 20 Tabela 11 - Principais características de algumas lâmpadas de LED comerciais..... 20 Tabela 12 - Valores de distorção da armadura LED.... 24 Tabela 13 - Valores das grandezas da armadura LED... 24 Tabela 14 - Valores de distorção da lâmpada fluorescente compacta.... 25 Tabela 15 - Valores das grandezas da lâmpada fluorescente compacta.... 25 Tabela 16 - Ganhos internos de alguns equipamentos.... 26 Tabela 17 - Rendimentos e ganho em calor (equivalente às perdas) para motores de indução trifásicos tetrapolares de 50 Hz, considerando um factor de carga unitário (P u = P n )..... 31 Tabela 18 - Valores típicos de ganhos internos..... 31 Tabela 19 - Valores do coeficiente.... 36 Tabela 20 - Valores de perdas de condução através das envolventes.... 37 Tabela 21 - Valores de ψ.... 38 Tabela 22 - Dados climáticos de referência... 40 Tabela 23 - Energia solar média mensal incidente numa superfície vertical orientada a Sul na estação de aquecimento... 40 Tabela 24 - Factor de orientação X.... 41 Tabela 25 - Valores do factor de sombreamento por elementos horizontais (Fo)..... 42 Tabela 26 - Valores do factor de sombreamento por elementos verticais (F f )..... 42 Tabela 27 - Valores do factor de sombreamento do horizonte (F h ).... 43 Tabela 28 - Fracção de área envidraçada para diferentes tipos de caixilharia.... 43 Tabela 29 - Factor solar, g, para alguns tipos de vidro.... 44 Tabela 30 - Valores médios da temperatura do ar exterior e da intensidade da radiação solar para a estação convencional de arrefecimento (Junho a Setembro).... 44 Tabela 31 - Valores do factor de sombreamento dos elementos horizontais, F o, no Verão.... 45 Tabela 32 - Valores do factor de sombreamento dos elementos verticais, F f, no Verão.... 45 Tabela 33 - Valores do factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados, F w.. 45 Tabela 34 - Valores do factor de vãos com protecção solar activada a 100% e vidro incolor corrente (g ).... 45 Tabela 35 - Classificação em função do EER e do COP.... 49 Tabela 36 - Concentrações máximas de referência de poluentes no interior de edifícios em Portugal.... 50 Tabela 37 - Temperaturas médias de Janeiro..... 68 Tabela 38 - Temperaturas médias de Julho.... 68 Tabela 39 - Calor libertado pela iluminação.... 70 xiii

Tabela 40 - Valores de densidades.... 71 Tabela 41 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede exterior.... 71 Tabela 42 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da laje de tecto.... 72 Tabela 43 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede interior.... 72 Tabela 44 - Valores de ψ, pavimento em contacto com o solo.... 73 Tabela 45 - Valores de ψ, ponte térmica de laje entre dois espaços interiores.... 74 Tabela 46 - Valores de ψ para a ponte térmica do desvão não ventilado.... 74 Tabela 47 - Factores para cálculo de potência de aquecimento.... 74 Tabela 48 - Factores para cálculo de potência de arrefecimento.... 75 Tabela 49 - Potências de aquecimento e arrefecimento de projecto.... 76 Tabela 50 - Potências instaladas dos sistemas.... 76 Tabela 51 - Custos anuais de energia para as diferentes soluções analizadas.... 83 Tabela 52 - Custos de aquisição, manutenção e energéticos para as soluções analisadas.... 84 Tabela 53 - Período de retorno em anos.... 85 xiv

Nomenclatura Símbolo Grandeza Unidade A Área m 2 l Comprimento m m Massa kg θ Temperatura o C U, Ψ Coeficiente de transmissão térmica W.m -2.ºC -1 ou dv/dt Caudal volumétrico -1 m 3 s ρ Densidade de massa kg m -3 v Velocidade m s -1 E Energia J P Potência W t Tempo s Q Carga térmica W R Resistência térmica -1 m 2 ºC W λ Condutividade térmica -1 W m -1 ºC d Espessura m η Rendimento S Potência aparente VA Q Potência reactiva VAr Hz Frequência ciclo s -1 Siglas ADENE ASHRAE BTE BTN CNTP COP DGEG EER HP ITE LED LNEC MT RCCTE RGB RSECE SCE VRV Designação Agência para a Energia American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Baixa Tensão Especial Baixa Tensão Normal Condições Normais de Temperatura e Pressão Coefficient of Performance Direcção Geral de Energia e Geologia Energy Efficiency Ratio Horse Power Informação Técnica de Edifícios Light Emitting Diode Laboratório Nacional de Engenharia Civil Média Tensão Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios Red, Green, Blue Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios Sistema de Certificação Energética e Qualidade do Ar Interior de Edifícios Volume de Refrigerante Variável xv

1 Introdução 1.1 Considerações Iniciais Na última década, houve uma crescente procura de sistemas de climatização em Portugal, desde os mais simples e de pequena dimensão no sector residencial e serviços, aos sistemas mais complexos de grandes dimensões, sobretudo em edifícios do sector terciário. Desta evolução resultou um aumento significativo dos consumos de energia. No âmbito do Protocolo de Quioto 1, Portugal assumiu responsabilidades quanto ao controlo das emissões de gases com efeito de estufa. Em geral os sistemas de climatização devem ser eficientes e tirar partido das economias de escala, quer a nível individual quer a nível de grupos de edifícios. Na elaboração do presente trabalho teve-se em conta os seguintes aspectos: - As temperaturas médias para a época de Inverno e de Verão, referentes à estação de aquecimento e de arrefecimento, na zona de implantação do edifício, sendo um edifício com orientação principal virada a sul. - A carga interna proveniente da actividade dos ocupantes, da iluminação e dos equipamentos; a carga externa proveniente das envolventes opacas (paredes, pavimentos, lajes e coberturas) e dos vãos envidraçados (janelas). - As cargas térmicas do edifício variam consoante a ocupação ao longo do dia dos espaços. Caso a carga se encontre acima da temperatura de conforto, torna-se necessário removê-la através do sistema de climatização, ou adicionar calor, caso se encontre abaixo da temperatura de conforto. - A potência térmica de aquecimento e de arrefecimento necessária é fornecida através de sistemas de climatização. Os sistemas de climatização em estudo neste trabalho são actualmente os mais utilizados: Sistema VRV a dois tubos, e Sistema Chiller/Bomba de calor. Estes sistemas não permitem o aquecimento e o arrefecimento em simultâneo. 1 O Protocolo de Quioto expira em 2012. Em 2009, a United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) organizou a Cimeira de Copenhaga com o objectivo de dar continuidade às medidas de protecção ambiental. 1

- O dimensionamento das unidades exteriores em função da potência instalada (somatório das potências das unidades interiores), e a procura de optimização das unidades exteriores em função das necessidades reais das potências térmicas necessárias. - O preço de aquisição dos equipamentos, o custo de energia, e a manutenção ao longo da vida útil dos mesmos, são factores determinantes para uma escolha adequada. A necessidade de imposição de restrições de diversos tipos faz com que, a nível nacional e a nível comunitário, tenha vindo a ser promulgado nas últimas décadas um conjunto de regulamentos, directivas e normas que limitam as soluções possíveis às tecnicamente aceitáveis. Os regulamentos e as normas que têm vindo a ser elaborados no domínio da energia nos edifícios visam principalmente o consumo de energia e a poluição associada a esse consumo. Nas secções seguintes focam-se as principais disposições técnicas legais que actuam no domínio da climatização dos edifícios, ao nível da legislação. 1.2 Decreto-Lei 78/2006 (SCE) Este Decreto cria o Sistema Nacional de Certificação Energética e da qualidade do ar interior dos edifícios (SCE), no âmbito da implementação a nível nacional da Directiva Comunitária 2009/91/CE relativa ao desempenho energético dos edifícios. A supervisão do SCE fica a cargo da Direcção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e do Instituto do Ambiente, respectivamente para questões energéticas e para qualidade do ar. A gestão do SCE está a cargo da Agência para a energia (ADENE). 1.3 Decreto-Lei 79/2006 (RSECE) Este Decreto-Lei impõe um novo Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE), revogando o Decreto-Lei nº 118/98. O alcance legislativo do novo regulamento é muito mais vasto do que o anterior pois estabelece: - As condições a observar no projecto de novos sistemas de climatização; - Os limites máximos de consumo de energia para todo o edifício e os limites de potência aplicáveis aos sistemas de climatização a instalar; - As condições de manutenção dos sistemas de climatização; - As condições de monitorização e de auditoria dos edifícios em termos de consumos de energia e da qualidade do ar interior; 2

- As habilitações dos técnicos responsáveis pelo projecto, instalação e manutenção dos sistemas de climatização, em termos da eficiência energética e da qualidade do ar interior. Os requisitos impostos pelo regulamento situam-se ao nível do conforto térmico, da qualidade do ar interior e do consumo energético. Em relação ao conforto térmico, os requisitos são fixados no RCCTE, no qual se especifica, por exemplo, que a velocidade do ar interior não deve exceder os 0,2 m/s. Com respeito à qualidade do ar interior, os requisitos mínimos são a renovação de ar, um máximo de concentração de algumas substâncias poluentes, e a imposição de dotar os edifícios de meios naturais, mecânicos ou híbridos que garantam as taxas de renovação de ar impostas. Ao nível do consumo energético, os requisitos são ao nível da envolvente, dos cálculos de potência e consumo com base em padrões nominais de utilização, da limitação do consumo energético total e da potência instalada nos sistemas de climatização, e ainda a obrigatoriedade, em grandes edifícios, do uso de sistema de climatização centralizado e que utilize fontes renováveis e instalação de sistemas de cogeração, excepto se o estudo técnico-económico demonstrar a sua inviabilidade. O regulamento impõe os seguintes requisitos regulamentares: -A potência eléctrica para aquecimento por efeito de Joule não pode exceder 5 % da potência térmica de aquecimento até ao limite de 25 kw, a menos que seja demonstrada a sua inviabilidade económica; -As unidades individuais de climatização em edifícios de serviços licenciados posteriormente à entrada em vigor do Decreto-Lei nº 118/98 só serem permitidas nos espaços que apresentem cargas térmicas ou condições interiores especiais em relação à generalidade do edifício, excepto se houver dificuldades técnicas ou impedimentos fortes de outra natureza devidamente justificados; -A obrigatoriedade da recuperação de energia no ar de rejeição, na estação de aquecimento, com uma eficiência mínima de 50 %, ou recuperação de calor equivalente, se a potência térmica de rejeição em condições de projecto for superior a 80 kw, a menos que seja demonstrada a sua inviabilidade económica; -Em sistemas do tipo tudo ar, o critério para a obrigatoriedade de instalação de dispositivos que permitam o arrefecimento gratuito (free-cooling), é baseado no somatório dos caudais de ar insuflado por todas as Unidades de Tratamentos de Ar (UTA), e caso seja obrigatório, deverá ser aplicado a todas unidades, independentemente do caudal individual ser inferior a 10000 m 3 /h. 3

-A obrigatoriedade dos equipamentos dos sistemas de climatização com potência eléctrica instalada superior a 12 kw, ou potência térmica máxima em combustíveis fósseis superior a 100 kw, ter de dispor de contador de energia; -A eficiência dos motores de bombas e ventiladores ter a classificação mínima EEF2 (equivalente à nova classe IE1). De referir que o regulamento especifica que: -Nos novos sistemas de climatização é obrigatório o recurso a fontes renováveis; -Caso exista um sistema de rede urbana de distribuição de calor e de frio, no local ou nas suas proximidades, é obrigatória a sua ligação a essa rede do sistema de climatização, excepto se o sistema de climatização utilizar fontes renováveis ou se demonstrar a sua não viabilidade económica; -Para os grandes edifícios de serviços, na fase de projecto, o estudo da viabilidade de um sistema económico de cogeração tem que ser efectuado, sendo obrigatória a sua instalação, excepto se for demonstrado que não é economicamente viável. 1.4 Decreto-Lei 80/2006 (RCCTE) Este Decreto-Lei impõe um novo Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), revogando o Decreto-Lei 40/90, transpondo parcialmente para a ordem jurídica nacional a Directiva 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho relativa ao desempenho energético dos edifícios. Para além das restrições impostas pela directiva, o regulamento impõe ainda um conjunto adicional de restrições no que respeita à qualidade térmica dos edifícios. Embora referindo que estabelece as regras a observar no projecto dos edifícios de habitação e dos edifícios de serviços sem sistemas de climatização centralizados, através da leitura do RSECE, verifica-se que também tem que ser aplicado a um conjunto de edifícios de serviços com sistemas de climatização de qualquer tipo. O regulamento aplica-se também às ampliações de edifícios existentes e às grandes intervenções de remodelação. O regulamento impõe limites máximos dos coeficientes de transmissão térmica da envolvente opaca e dos factores solares dos vãos envidraçados horizontais e verticais com área total superior a 5 % da área útil do pavimento do espaço que servem, excepto os orientados entre noroeste e nordeste. Simultaneamente, impõe limitações às necessidades anuais de consumo energético do edifício. Impõe também, em edifícios em que a exposição solar seja adequada, é obrigatório o 4

recurso a sistemas solares térmicos para produção de águas quentes sanitárias, na base de 1 m 2 de colector por ocupante convencional previsto, podendo esse valor ser reduzido de forma a não ultrapassar 50 % da área de cobertura total disponível. Considera-se que existe exposição solar adequada sempre que a cobertura, em terraço ou inclinada no quadrante sul, não seja sombreada por obstáculos significativos entre o período que compreende duas horas depois de o nascer do sol e duas horas antes do acaso, ou utilizar outras formas renováveis de energia que captem a energia equivalente à dos colectores solares. Desta forma, deve ser considerada como aplicação generalizada a verificação das necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento N ic, das necessidades nominais anuais de arrefecimento N vc, das necessidades anuais de energia para produção de águas quentes sanitárias N ac, e das necessidades globais de energia primária N tc, dado o regulamento impor limites máximos para estes indicadores. O cálculo das necessidades nominais é efectuado através de métodos normalizados de cálculo impostos pelo regulamento e tem em atenção a contribuição devida às energias renováveis. 5

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2 Cargas Térmicas 2.1 Ganhos Solares O Sol é considerado um fornecedor de energia de enorme importância, sendo ele imprescindível à vida na terra. A maior parte de energia provém do Sol, de um modo directo ou indirecto. A energia transmitida pelo Sol é interceptada pela Terra no seu percurso sob a forma de radiação solar. A energia proveniente do Sol faz-se sentir na forma de calor, conhecida como energia térmica solar. 2.1.1 Radiação Solar O espectro da radiação electromagnética emitida pelo Sol segue a distribuição do espectro de emissão de um corpo negro a cerca de 6000 K. A energia da radiação solar que incide ortogonalmente no topo da atmosfera terrestre, em todos os comprimentos de onda, durante um segundo é cerca de 1367 J/m 2. Ou seja, uma potência de 1367 J m -2 s -1, equivalente a 1367 W m -2. Este valor é designado de constante solar e a sua medição faz-se através de satélites colocados acima da atmosfera. A radiação solar, após atravessar a atmosfera, atinge a superfície terrestre em três formas de radiação, conforme se mostra na Figura 1, nomeadamente: - Radiação directa atinge directamente a superfície; - Radiação difusa desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera; - Radiação reflectida reflectida pelo solo (albedo) e objectos circundantes. A restante radiação solar é absorvida ou reflectida para fora da atmosfera pelos elementos atmosféricos. 7

Figura 1 - Radiação solar [1]. Na Figura 2 mostram-se os valores de irradiação para céu limpo, valores médios da irradiação difusa e irradiação global para o mês de Janeiro, na cidade de Coimbra. Irradiação (W/m2) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Irradiacão Global Céu limpo Irradiação Global Irradiação difusa 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Horas Figura 2 Valores da média diária para o mês de Janeiro em Coimbra [2]. Na Figura 3 apresentam-se os valores da energia irradiada no plano horizontal ao longo dos meses do ano para a cidade de Coimbra. 8

8 Energia Irradiada no plano horizontal (kwh/m2/dia) 7 6 5 4 3 2 1 0 Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Meses Figura 3 Energia solar diária ao longo dos meses do ano [2]. 2.1.2 Movimento da Terra à Volta do Sol O movimento da terra em torno do sol segue uma trajectória elíptica, e este movimento dá origem às estações do ano, conforme se mostra na Figura 4. Figura 4 - Plano elíptico [1]. Na Figura 4 também está representado o eixo polar, cuja inclinação é sempre constante e igual a 23,5º. Para além da rotação da Terra no plano elíptico, existe também uma rotação em torno do eixo polar. Esta rotação provoca as alterações da incidência solar. Do mesmo modo este eixo é responsável pelas diferenças que se verificam nas estações do ano. 9

2.1.3 Declinação Solar A declinação solar é o ângulo formado entre o plano equatorial e a linha que une o Sol ao centro da Terra. Este ângulo altera de dia para dia, ao longo de todo o ano, conforme se mostra na Figura 5. Figura 5 Declinação solar [1]. Quando o Sol incide directamente sobre o Equador, a declinação solar é 0º, que equivale aos equinócios de Março e Setembro. No solstício de verão a declinação solar é de 23,5º que corresponde ao solstício de Junho. O solstício de inverno é de -23,5º, referente ao solstício de Dezembro. Todos os outros valores da declinação solar se encontram entre os trópicos de Câncer e Capricórnio. Para determinar valores da declinação solar no n ésimo dia de cada mês, δ s aplicou-se a equação (1) [3]. 23,45 sin 360 284 /365 (1) Por exemplo, para o 21º dia de Janeiro em que n=21, logo 23,45 sin 360 284 21 /365 23,45 sin 360 305 /365 23,45 sin 300,8219 20,138 ou seja, tem-se uma declinação solar de -20,138º. 10

Na Tabela 1 mostra-se a declinação solar para o 21º dia de todos os meses do ano. Tabela 1 Valores da declinação solar no 21º dia de cada mês. Mês Declinação Mês Declinação Janeiro -20,1º Julho +20,4º Fevereiro -11,2º Agosto +11,8º Março 0,4º Setembro 0,2º Abril +11,6º Outubro -11,8º Maio +20,1º Novembro -20,4º Junho +23,5º Dezembro -23,5º A Tabela 1 confirma os valores dos ângulos de maior e menor amplitude para os solstícios de Junho e Dezembro, e ângulos de valor 0º para os equinócios de Março e Setembro. 2.2 Conforto Térmico O conforto térmico e sensação térmica dependem de vários factores, nomeadamente temperatura, velocidade do ar, vestuário e humidade. A temperatura altera-se em função dos ganhos internos e dos ganhos externos, explicados mais à frente. Os níveis de humidade altos evitam que a pele se refresque, provocando sensações de desconforto. Na Figura 6, estão representadas as zonas de conforto para o Verão e para o Inverno, onde se verifica que a temperatura de conforto para o Verão se situa entre os 23 e os 27 C, e para o Inverno entre os 20 e os 24 C, para ambas com uma humidade relativa entre os 30 e os 70 %. Figura 6 Zonas de conforto para as estações de Verão e Inverno [4]. 11

2.3 Ganhos Internos A escolha dum sistema de climatização deve ter em conta a variação da carga térmica ao longo do dia, e do ano, do respectivo espaço. Conhecidos os ganhos internos, os ganhos pela envolvente (incluindo os ganhos solares) e os ganhos devidos à ventilação, consegue-se calcular a carga térmica total do espaço, equivalente ao seu somatório. Os sistemas de aquecimento não são a única fonte de calor existente numa habitação. O calor é também fornecido pelos ocupantes, pelos processos decorrentes da ocupação, pelos equipamentos e ainda pela radiação solar incidente. Parte dos ganhos internos são perdidos para o exterior, mas uma parte é mantida no interior como calor gratuito e pode ser considerado, dependendo da sua localização, período de ocorrência e magnitude, como cargas internas a ser removidas (no caso de provocarem sobreaquecimentos) ou como dispensando parte das necessidades de aquecimento dos espaços. Em edifícios residenciais e do sector terciário, os ganhos internos de calor podem ser agrupados da seguinte forma: - Calor (metabólico) fornecido pelos ocupantes; - Iluminação; - Equipamentos eléctricos. De forma a manter temperatura constante de um compartimento, é necessário transferir ou remover calor para o espaço que permita neutralizar a carga térmica total. Para isso devem usar-se sistemas de climatização. Os sistemas de climatização mais comuns são os convectivos, que actuam através do aquecimento, arrefecimento, humidificação e desumidificação do ar nos espaços. Deste modo para se manter a temperatura ambiente num compartimento com uma determinada carga térmica, é necessário introduzir uma energia de insuflação, dada pela equação (2): ρ θ θ, (2) onde: Q s : ganho de calor sensível por insuflação (W); : caudal de ar introduzido (m 3 /s); ρ : densidade do ar (1,2 kg/m 3 ); c p : calor específico do ar (1 kj/kg ºC); 12

θ a : temperatura do ar de insuflação ( C); θ i : temperatura do ar de retorno ( C). Esta expressão é válida para a climatização, quer pelo aquecimento/arrefecimento, quer pela ventilação, tendo em conta as temperaturas normalmente envolvidas nestes processos. O caudal insuflado pode ser transformado no número de recirculações por hora uma vez conhecido o volume do espaço a tratar. O conhecimento do número de renovações ou recirculações por hora do espaço dá indicação sobre a intensidade de movimentação do ar no espaço, factor importante na escolha do tipo de terminal de insuflação. Nos projectos dos novos edifícios dotados de sistemas de climatização com ventilação mecânica abrangidos pelo presente RSECE devem ser garantidos os caudais mínimos de ar novo que constam da Tabela 2. Tabela 2 - Caudais mínimos de ar novo [5]. Tipo de actividade ANEXO VI Caudais Mínimos de Ar Novo Residencial Sala de estar e quartos 30 Comercial Salas de espera Lojas de comércio Áreas de armazenamento Vestiários Supermercados 30 30 Serviço de refeições Empreendimentos turísticos Entretenimento Serviços Escolas Hospitais Salas de refeições Cafetarias Bares, salas de cocktail Sala de preparação de refeições Quartos/suites Corredores/átrios Corredores/átrios Auditório Zona de palco, estúdios Café/foyer Piscinas Ginásio Gabinetes Salas de conferências Salas de assembleia Salas de desenho Consultórios médicos Salas de recepção Salas de computador Elevadores Salas de aula Laboratórios Auditórios Bibliotecas Bares Quartos Áreas de recuperação Áreas de terapia Caudais mínimos de ar novo (m 3 /(h ocupante)) (m 3 /(h m 2 )) 35 35 35 30 30 30 30 35 35 35 35 30 30 35 30 30 30 35 30 30 35 45 30 30 5 5 10 5 35 35 5 5 35 10 5 20 20 15 15 13

2.3.1 Calor Libertado pela Actividade Metabólica dos Ocupantes Na escolha de condições ideais de conforto e saúde, o trabalho realizado numa determinada actividade deve ser tido em conta, porque a taxa metabólica vai aumentando com a intensidade do esforço realizado. A taxa metabólica varia dependendo da actividade da pessoa, da idade, do sexo, e das condições ambientais em que a actividade está a ser executada. A unidade utilizada para exprimir a taxa metabólica é o MET, definida como taxa metabólica de uma pessoa relaxada sentada em que 1 MET equivale a 58,1 W/m 2 ou seja 50 kcal/h m 2. Um homem saudável pode atingir uma taxa máxima de 12 MET com uma idade de 20 anos, mas tende a perder progressivamente 7 MET até a idade de 70 anos. A taxa máxima para uma mulher é 30 % inferior à do homem. Os cálculos têm por base um adulto de estrutura média com uma área corporal de 1,8 m 2, exercendo uma actividade de forma contínua [4]. Uma das formas mais usuais de medir a superfície do corpo foi proposta por Dubois (1916), pela equação (3): 0,202,,, (3) onde: A D : área de superfície de um corpo nu (m 2 ); m : massa (kg); l : altura (m). Um indivíduo com 1,73 m de altura, e um peso de 70 kg, tem uma superfície corporal de 1,8 m 2. Quando se pretende que as taxas metabólicas sejam determinadas com maior precisão, são necessárias medições fisiológicas às pessoas. A taxa metabólica produzida pelo corpo humano é medida pela taxa de consumo de oxigénio respirado e pela produção de dióxido de carbono. Uma equação para determinar a taxa metabólica é dada por Nishi (1981) [4]: onde: M : taxa metabólica (W/m 2 ); =,,, (4) 14

Q resp : quociente respiratório (adimensional); Q o2 : taxa volumétrica de oxigénio consumido nas CNTP (ml/s). O valor exacto do quociente respiratório depende da actividade da pessoa. Pode ser determinado medindo o dióxido de carbono e o oxigénio por fluxos de ar respiratório, ou pode ser estimado com alguma precisão em laboratório. Uma boa estimativa para o adulto é de 0,83 para uma actividade leve e sedentária, aumentando de forma proporcional até à unidade, para uma actividade de grande esforço [4]. Na Tabela 3 apresentam-se os valores de oxigénio consumido consoante o nível de actividade. Tabela 3 - Consumo de oxigénio para diferentes níveis de actividade [4]. Nível de actividade Batimento cardíaco (bpm) Oxigénio consumido (ml/s) Trabalho leve < 90 < 8 Trabalho moderado 90 a 110 8 a 16 Trabalho pesado 110 a 130 16 a 24 Trabalho muito pesado 130 a 150 24 a 32 Trabalho muito intensivo 150 a 170 > 32 Se um indivíduo executar um trabalho moderado, utilizando a equação (4) obtém-se: =,,,, =135 W/m. Na Tabela 4 apresentam-se os valores das taxas metabólicas para algumas actividades. Tabela 4 - Classificação da taxa metabólica de várias actividades [4]. Tipo de actividade W/m 2 MET Dormindo 40 0,7 De pé, relaxado 70 1,2 Caminhando em superfície plana Actividades de escritório 3,2 km/h (0,9 m/s) 115 2,0 4,3 km/h (1,2 m/s) 150 2,6 6,4 km/h (1,8 m/s) 220 3,8 Lendo sentado 55 1,0 Escrevendo 60 1,0 Conduzindo o automóvel 60 a 115 1 a 2 Cozinhando 95 a 115 1,6 a 2,0 Tarefas domésticas 115 a 200 2,0 a 3,4 Dançando 140 a 255 2,4 a 4,4 Jogando ténis 210 a 270 3,6 a 4,0 Praticando luta livre 410 a 505 7,0 a 8,7 15

Refira-se que estes valores são relativos ao calor sensível (que provoca a alteração de temperatura), e se admite que o calor latente (que não implica um aumento de temperatura mas de humidade específica) é removido pela circulação de ar. Contudo sempre que o calor latente seja significativo (e neste caso é comum um reforço da ventilação por meios mecânicos ou inclusivamente desumidificação) deve considerar-se o calor latente como uma carga térmica adicional a remover-se do espaço. 2.3.2 Iluminação A iluminação é uma das principais cargas térmicas num edifício. A carga térmica provocada pela iluminação eléctrica tem de ser contabilizada no cálculo da potência térmica. A necessidade de se satisfazer os níveis de iluminação nos edifícios obriga à utilização de iluminação artificial, o que leva a um consumo de energia eléctrica. Nos dias de hoje, a utilização da iluminação fluorescente tem-se afirmado no mercado e, de uma forma gradual, tem substituído as lâmpadas de incandescência. Os níveis de iluminação são baseados na Norma Europeia EN 12464-1, onde são referidos os níveis de iluminação adequados aos espaços. A medição dos níveis de iluminação é efectuada através de um aparelho de medida designado de luxímetro. Os níveis de iluminação exigidos não dependem somente da potência eléctrica da fonte, mas também do difusor, da área das superfícies dentro da sala, da sua cor e propriedades de reflexão. Daí que seja difícil estabelecer uma relação directa entre a potência eléctrica e o nível de iluminação obtido. As lâmpadas fluorescentes apresentam um rendimento luminoso superior às lâmpadas incandescentes. As Tabelas 5 e 6 apresentam características de lâmpadas incandescentes e lâmpadas fluorescentes compactas para o mesmo fluxo luminoso, sendo que as lâmpadas fluorescentes têm um consumo cerca de 5 vezes inferior. A lâmpada fluorescente compacta possui o balastro electrónico integrado, o que permite a substituição directa da lâmpada incandescente. A lâmpada fluorescente compacta apresenta um preço mais elevado do que a lâmpada incandescente, e uma vida útil muito superior. O retorno do investimento vai depender da utilização, ou seja, quanto maior o tempo de utilização, mais rápida é a rentabilização do investimento. Na Tabela 8, compara-se uma lâmpada incandescente de 25 W com uma lâmpada fluorescente compacta de 5 W, para um funcionamento de 3 horas por dia ao longo do ano. Ao fim do primeiro ano adicionou-se mais uma lâmpada incandescente devido à vida útil da mesma ser de 1000 horas, justificando a diferença de 3,58. O custo da energia teve como 16

base o preço da tarifa simples de um contrato de baixa tensão normal (BTN), actualmente de 0,1326 /kwh. Lâmpada incandescente Casquilho Tabela 5 - Lâmpada incandescente Philips [6]. Fluxo luminoso (lm) Rendimento (lm/w) IRC (%) Classificação energética Vida útil (h) Stan 25 W E27 220 9 100 E 1000 Stan 40 W E27 430 10 100 E 1000 Tabela 6 - Lâmpada fluorescente compacta Philips [6]. Lâmpada fluor. Fluxo luminoso Rendimento IRC Classificação Vida útil Casquilho Compacta (lm) (lm/w) (%) energética (h) Genie ES 5W E27 230 46 >80 A 8000 Genie ES 8W E27 420 53 >80 A 8000 Tabela 7 - Preços de lâmpadas incandescentes e fluorescentes [6]. Lâmpadas incandescentes Preço ( ) Lâmpadas fluorescentes Preço ( ) 25 W 0,56 5 W 4,7 40 W 0,56 8 W 5,1 Tabela 8 - Custos associados às lâmpadas incandescentes e fluorescentes. Lâmpada incandescente Lâmpada Fluorescente (25 W) Compacta (5 W) Diferença Preço unitário ( ) 0,56 4,7 3,58 Energia (kwh/mês) 2,25 0,45 1,8 Custo da energia ( ) 0,2984 0,0597 0,2387 Utilizando a equação (5) obtém-se o período de retorno (simples) do investimento adicional, PRS, na melhor tecnologia, que para o exemplo apresentado na Tabela 8 é de PRS = 3,58/0,2387 = 15 meses. = ç (5) Nas lâmpadas incandescentes admite-se que uma parte da potência eléctrica fornecida a a lâmpada é convertida em ganhos de calor internos. A transferência de energia numa lâmpada para o ambiente realiza-se por radiação e convecção, entre a superfície quente da lâmpada e o ar, e por radiação, para diferentes comprimentos de onda, onde se inclui o comprimento de onda visível, responsável pela iluminação do espaço. 17

A energia calorífica da lâmpada é imediatamente enviada para o ambiente, logo é uma carga térmica instantânea. Quanto à energia irradiada, esta primeiro é absorvida e reflectida pelas superfícies do espaço, e só mais tarde, após a elevação da temperatura das superfícies acima da temperatura do ar, é devolvida ao ar por convecção das paredes para o ar. Na Tabela 9 apresentam-se os valores de calor por radiação e por convecção para vários tipos de lâmpadas. Tabela 9 - Calor radiante e calor convectivo [7]. Ganhos de calor Calor radiante (%) Calor convectivo (%) Lâmpadas fluorescentes não ventiladas 67 33 Lâmpadas fluorescentes ventiladas 59 41 Lâmpada incandescente 80 20 A lâmpada incandescente, de utilização normal nas habitações apresenta um rendimento na ordem de 12,4 lm/w para uma lâmpada de 60 W. Na Figura 7 apresentam-se rendimentos para vários tipos de lâmpadas. 180 160 140 Rendimento (lm/w) 120 100 80 60 40 20 0 Lâmpada Incandescente Tungsténio (15-1000 W) Lâmpada Incandescente Halogéneo (25-250 W) Lâmpada Fluorescente Compacta (3-25 W) Lâmpada Fluorescente Tubular (14-80 W) Lâmpada LED (1-8 W) Figura 7 Rendimento (lm/w) de vários tipos de lâmpadas de 230 V, 50 Hz [8]. Devido a importância da iluminação existem duas regiões do espectro electromagnético (Figura 8) de enorme importância: a região visível e a região infravermelha. A região visível encontra-se no espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 380 e 740 nm que produz a sensação visual. A radiação infravermelha com comprimentos de onda dos 740 nm a 1mm, que é sentida em forma de calor. 18

Figura 8 Espectro electromagnético [9]. No caso das armaduras de iluminação serem ventiladas, o ar é enviado directamente para o exterior, o calor por efeito de convecção libertado para o espaço pode ser reduzido ou mesmo eliminado antes de constituir um ganho de calor no espaço. De igual modo, se as armaduras estiverem num local elevado de onde se extrai o ar aquecido, apenas a componente radiante terá de ser considerada como ganho de calor. É hábito assumir que nas múltiplas reflexões a energia radiante acaba por ser absorvida na sua totalidade pelas superfícies do espaço, e reenviada para o ar ambiente. Porém, desde que a lâmpada se ligue até que constitua uma carga efectiva no ar do espaço pode decorrer um tempo variável. O ganho de calor proveniente da iluminação pode ser calculado através da equação (6): =, (6) onde: Q el : ganho de calor (W); W : potência total da iluminação (W); F ul : factor de utilização da iluminação; F sa : factor de tolerância da iluminação. A potência total da iluminação é obtida a partir de todas as lâmpadas instaladas. O factor de utilização da iluminação é a relação entre a potência em utilização e a potência instalada. O factor de tolerância para vários tipos de luminárias fluorescentes encontram-se na Tabela 10: 19

Descrição Balastro Tabela 10 - Factores de tolerância [7]. Potência por Lâmp. (W) Lâmp/ Armad. Potência das lâmp. (W) Potência da armadura (W) Factor de tolerância Lâmpada fluorescente compacta Quad.(2) 26W Ferromagnético 26 2 52 66 1,27 Twin(2) 40W Ferromagnético 40 2 80 85 1,06 Quad.(2) 26W Electrónico 26 2 52 50 0,96 Armadura fluorescente 1200, T8 Ferromagnético 32 1 32 35 1,09 1200, T8 Ferromagnético 32 2 64 71 1,11 1200, T8 Electrónico 32 1 32 32 1,00 1200, T8 Electrónico 32 2 64 60 0,94 No apuramento da potência térmica total devida à iluminação eléctrica deve averiguar-se com o maior rigor possível o número efectivo de lâmpadas susceptíveis de funcionarem em simultâneo, pois um cálculo simplista que englobe o número de lâmpadas é muitas vezes irrealista e conduz ao sobredimensionamento inútil e indesejável dos sistemas de climatização. Convém ter presente, quando se projecta, que o calor emitido, no momento em que as lâmpadas são acesas não é sentido de imediato como carga térmica no sistema de climatização. Os LEDs (Light Emitting Diode; Diodo Emissor de Luz, em português) são dispositivos semicondutores que convertem electricidade directamente em luz. Os LEDs apresentam melhor efeito visual (variedade de cores), o desenvolvimento de novas tecnologias de fabrico e aparecimento de novos materiais, baixa o consumo de energia e aumenta a sua durabilidade. Os LEDs têm vindo a ser produzidos com custos cada vez menores, proporcionando uma gama cada vez maior de aplicações, com sinalização e iluminação de ambientes em geral, em substituição de lâmpadas incandescentes e de descarga [8]. Na Tabela 11, apresentam-se as principais características de lâmpadas de LED comerciais. Tabela 11 Principais características de algumas lâmpadas de LED comerciais [10]. Potência 7 W 11 W 4 W/7 W 3 W Vida útil (horas) 25000 45000 45000 22000 Temperatura da cor Branco quente, Branco frio Branco quente, Branco frio Branco quente, Branco frio Branco quente, Branco frio Casquilho E27 E27 GU5.3 GU10 Tensão 230 V 230 V 12 V 230 V Substitui 50 W Incandescência 75 W Incandescência 20 W/35 W Halogéneo 35 W Halogéneo Preço 22,1 57,2 14,6 14,2 20

Um importante benefício da lâmpada de LED é a redução das emissões de CO 2, uma grande ajuda contra as alterações climáticas. Quanto menos energia se consome, menores são as emissões de CO 2 para a atmosfera. Além disso, a tecnologia LED não contém mercúrio, nem chumbo, evitando a utilização de substâncias perigosas. Actualmente existem duas maneiras de criar luz branca com a tecnologia LED. Um dos métodos combina múltiplos comprimentos de onda de vários LEDs, combinando as três cores primárias (vermelho, verde e azul) conforme mostra a Figura 9, sendo possível ajustar a uma cor específica, de forma a criar um determinado ambiente. Figura 9 Combinação das três cores primárias [11]. O segundo método utiliza um LED azul nitreto de gálio-índio (GaInN) com um revestimento de fósforo para criar a luz branca. Este é o método mais comum e o denominado "LED branco" [12]. Com vista à comparação entre dois tipos de luminárias comerciais equivalentes da Philips, uma lâmpada fluorescente compacta 2x26 W (Figura 10) e uma armadura LED 31 W (Figura 11) com a tecnologia do segundo método descrito anteriormente, para um mesmo nível de iluminação de 200 lux, realizaram-se alguns ensaios experimentais. Em primeiro lugar, verifica-se que a armadura LED tem uma resposta rápida quando ligada à rede eléctrica, enquanto que a resposta da lâmpada fluorescente compacta, demora em cerca de 6 minutos e 18 segundos até atingir um nível de iluminação estável. A armadura com lâmpada fluorescente compacta é inadequada para aplicação em determinados locais, como por exemplo locais de passagem como corredores activados por sensores de movimento, onde se exige uma resposta rápida. Utilizando um luxímetro (Figura 12), mediu-se a iluminância em ambas as lâmpadas tendo-se obtido um resultado muito similar (215 lux para a lâmpada LED e 208 lux para a lâmpada fluorescente compacta). 21

Nas Figuras 13 e 14 apresentam-se as fotografias termográficas da armadura LED e de uma armadura fluorescente compacta. A armadura LED tem uma temperatura elevada, apenas na parte central onde se encontra o fósforo. Nas restantes partes apresenta uma temperatura mais baixa que a luminária fluorescente compacta. Figura 10 Lâmpada Fluorescente compacta (Fonte: Philips). Figura 11 Armadura LED (Fonte: Philips). Figura 12 Luxímetro utilizado para medir a iluminância. 22

Figura 13 - Imagem termográfica da armadura LED. Figura 14 - Imagem termográfica da lâmpada fluorescente compacta. As Figuras 15 e 16 referem-se ao espectro harmónico da armadura de LED, e ao espectro harmónico da lâmpada fluorescente compacta, respectivamente. Nas Tabelas 12 e 14 são apresentados os valores de distorção harmónica da corrente da armadura LED, e da lâmpada fluorescente compacta. As Tabelas 13 e 15 referem-se aos valores medidos na lâmpada LED, e na lâmpada fluorescente compacta. A armadura fluorescente compacta produz uma distorção harmónica total de corrente semelhante à armadura de LED. Porém, o 3º harmónico de corrente apresenta uma amplitude mais elevada na lâmpada fluorescente compacta, contribuindo para o aumento de corrente no condutor neutro. Note-se que o valor eficaz da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta é superior à do LED. 23

Figura 15 Componentes harmónicas da corrente absorvida pela armadura LED. Tabela 12 - Valores das componentes harmónicas da corrente absorvida pela armadura LED. Lâmpada LED - Latina LED 31W PHILIPS Harmónico Frequência Amplitude (%) ma Desfasamento 1 50 Hz 100 149,4 0º 3 150 Hz 3 4,5-149 5 250 Hz 7,1 10,65 154 7 350 Hz 4,3 6,45 101 9 450 Hz 2,6 3,9 115 11 550 Hz 1,1 1,65 110 13 650 Hz 0,4 0,6 66 15 750 Hz 0,4 0,6 114 17 850 Hz 0,1 0,15 137 19 950 Hz 0,2 0,3 1 21 1050 Hz 0,3 0,45-83 23 1150 Hz 0,5 0,75-121 25 1250 Hz 0,4 0,6-144 27 1350 Hz 0,7 1,05 177 29 1450 Hz 0,4 0,6 130 Tabela 13 - Valores medidos na armadura LED. Grandezas Tensão (v) Corrente (A) S (A) P (W) Q (Var) FP THDi (%) 2 Iluminância (Lux) Valores 240 0,150 36 35,3 8 0,98 9,6 215 2 Total Harmonic Distortion Distorção Harmónica Total 24

Figura 16 - Componentes harmónicas da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta. Tabela 14 - Valores das componentes harmónicas da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta. Harmónico Lâmpada Fluorescente Compacta - 2x26 W - PHILIPS Frequência Amplitude (%) ma Desfasamento 1 50 Hz 100 195,22 0º 3 150 Hz 7,6 14,90 157 5 250 Hz 4,8 9,41 146 7 350 Hz 2,9 5,68 114 9 450 Hz 1,8 3,53 130 11 550 Hz 0,9 1,76 117 13 650 Hz 0,5 0,98 91 15 750 Hz 0,2 0,39 94 17 850 Hz 0,1 0,20 146 19 950 Hz 0,1 0,20 149 21 1050 Hz 0,1 0,20-175 23 1150 Hz 0,1 0,20-135 25 1250 Hz 0,1 0,20 170 27 1350 Hz 0,1 0,20-110 29 1450 Hz 0,1 0,20 118 Tabela 15 - Valores medidos na lâmpada fluorescente compacta. Grandezas Tensão (v) Corrente (A) S (A) P (W) Q (Var) FP THDi (%) Iluminância (Lux) Valores 239 0,196 46,7 46 8 0,99 9,7 208 25

2.3.3 Equipamentos Dependendo do tipo de equipamentos, uma parte da energia consumida pode ser considerada como ganho de calor interno. Uma vez que o consumo varia com o tipo de equipamento, é difícil obter valores representativos. Mesmo quando existem valores para os equipamentos domésticos e industriais, estes evoluem no sentido de minimização do consumo de energia e da melhoraria da classificação energética. Na Tabela 16 apresenta-se uma lista indicativa dos ganhos internos de alguns equipamentos. Tabela 16 - Ganhos internos de alguns equipamentos [7]. Equipamento Ganho de calor (W) Inactivo (W) Impressora (escritório residencial) 130 10 Frigorífico 320 - Computador (Pentium) 55 20 Fotocopiadora 400 20 Monitor (400 a 460 mm) 70 - Microondas doméstico (30l) 600-1400 - Da Figura 17 à Figura 25 são apresentadas fotografias termográficas de alguns equipamentos de forma a evidenciar a libertação de calor dos mesmos, representando uma fonte de calor interna. Figura 17 - Imagem termográfica de uma aparelhagem de som. 26

Figura 18 - Imagem termográfica de um Split de ar condicionado. Figura 19 - Imagem termográfica de um disco rígido externo. Figura 20 - Imagem termográfica de um conjunto de lâmpadas de halogéneo. 27

Figura 21 - Imagem termográfica de uma lâmpada incandescente (tipo foco). Figura 22 - Imagem termográfica de um plafond com lâmpadas incandescentes. Figura 23 - Imagem termográfica de máquina de café de cápsulas. 28

Figura 24 - Imagem termográfica de uma Box e de um Modem. Figura 25 - Imagem termográfica de uma televisão LCD. No que respeita aos equipamentos dos edifícios, muitos deles possuem motores. Tal como a iluminação artificial, consomem energia eléctrica, e portanto também dissipam energia por efeito de Joule. Para estimativa dos ganhos internos devidos a estes motores deve ter-se em conta: - a regularidade com que operam, de forma a identificar os períodos em que existem contribuições simultâneas de equipamentos para os ganhos internos de um mesmo espaço; - a eficiência do motor. Uma parte da potência eléctrica de um motor acaba por se dissipar em calor. O ganho de calor instantâneo (equivalente às perdas) associado aos motores eléctricos dentro de um espaço pode ser calculado, pela equação (7) [7]: 29

= 1, (7) onde: Q em : ganho de calor 3 (W); P n : potência nominal do motor (W); η: rendimento do motor (adimensional); F LM : carga do motor (adimensional). A carga é a fracção da potência nominal aplicada. No caso de um motor de 1,5 kw com uma carga de 50 %, obtém-se o seguinte ganho de calor: =, 1 1500 0,5=221,25 W, A Tabela 17 indica valores de ganho de calor para motores tetrapolares de diferentes classes de rendimento. O rendimento dos motores eléctricos, η, é dado pela equação (8), onde P u é a potência útil (transmitida pelo veio) e P a é potência activa absorvida. η= (8) De uma forma geral, o rendimento aumenta com o aumento da potência do motor. Refira-se que a dissipação térmica devida aos equipamentos, apesar de importante no dimensionamento de sistemas de climatização, é muitas vezes esquecida. Por exemplo, quando se procede à remodelação de um espaço de escritórios, e se criam novos locais para mais equipamento de escritório (servidores para a rede informática, fotocopiadoras, etc.) há que relembrar que estes novos equipamentos dissipam calor adicional. As dissipações a considerar para os equipamentos electrónicos devem ser obtidas dos fabricantes. Dada a dificuldade em identificar todas as fontes de ganhos internos num edifício, com base na experiência corrente, é costume relacionar esses ganhos com a área útil de pavimento, obtendo-se valores típicos como os que se mostram na Tabela 18, em função da classificação do edifício quanto ao nível de ganhos. 3 Assume-se que todas as perdas do motor se convertem em calor. 30

Tabela 17 Rendimentos e ganho em calor (equivalente às perdas) para motores de indução trifásicos tetrapolares de 50 Hz, considerando um factor de carga unitário (P u = P n ) [13]. P n (kw) Classe IE1 Classe IE2 Classe IE3 η (%) Q em (W) η (%) Q em (W) η (%) Q em (W) 0,75 72,1 290,22 81,1 174,78 84 142,86 1,5 77,2 443,01 83,9 287,84 86,3 238,12 4 83,1 813,48 87,3 581,90 89,2 484,30 5,5 84,7 993,51 88,2 735,83 90 611,11 7,5 86,0 1220,93 89,1 917,51 90,8 759,91 11 87,6 1557,08 90,1 1208,66 91,7 995,64 15 88,7 1910,94 90,9 1501,65 92,3 1251,35 Tabela 18 - Valores típicos de ganhos internos [14]. Nível de Ganhos Equipamentos (W/m 2 ) Baixo 5 Médio 10 Alto 20 2.4 Ganhos Externos O RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios) veio estabelecer requisitos de qualidade para os novos edifícios de habitação e de pequenos serviços sem sistemas de climatização, nomeadamente ao nível das características da envolvente (paredes, vãos envidraçados, pavimentos e coberturas), limitando as perdas térmicas e controlando os ganhos solares excessivos. Os métodos de cálculo para a verificação regulamentar dos edifícios aponta para a estimação de valores nominais de consumo, quer para a estação de arrefecimento quer para a estação de aquecimento, para dadas condições de referência de ambiente interior. O regulamento impõe limites aos consumos energéticos da habitação para climatização e produção de águas quentes, num claro incentivo à utilização de sistemas eficientes e de fontes energéticas com menor impacto em termos de consumo de energia primária. A legislação determina também a obrigatoriedade da instalação de colectores solares e valoriza a utilização de outras fontes de energia renovável na determinação do desempenho energético do edifício. 2.4.1 Transmissão de Calor As necessidades nominais de aquecimento e arrefecimento para um edifício, de modo a garantir o conforto térmico, é de uma temperatura de 20 ºC para a estação de Outono/Inverno, 31

e de 25 o C com 50 % de humidade relativa, para a estação de Primavera/Verão. Na Figura 26, entende-se que se as perdas de calor forem superiores aos ganhos, a temperatura do ar interior vai baixar. Para isso não acontecer é necessário um equipamento auxiliar, para equilibrar a diferença entre as perdas e os ganhos à mesma taxa de variação que ocorrem. O mesmo acontece caso se os ganhos forem maiores que as perdas. É necessária uma energia auxiliar de forma a minimizar os ganhos. Figura 26 - Balanço de energia. Para se proceder ao estudo do comportamento térmico de uma edificação é necessário estudar o processo de transmissão de calor, bem como as propriedades térmicas dos materiais envolvidos nos processos de troca de calor. 2.4.1.1 Transmissão de Calor por Condução Trata-se da transmissão de calor molécula a molécula, existindo a necessidade de um meio material, ocorrendo sempre do ponto de maior potencial energético (maior temperatura) para o de menor potencial (menor temperatura). A quantidade de calor que flui através de um elemento opaco varia em função do material que o constitui, da sua espessura e do diferencial de temperatura. A grandeza física que caracteriza um material com melhor ou pior condutividade de calor denomina-se por condutividade térmica (λ). A Figura 27 ilustra o processo de transmissão de calor por condução. 32

Figura 27 Transferência de calor [15]. As transferências de calor por condução através das envolventes durante toda a estação de aquecimento Q t (W), isto é, pelas paredes, pelos vãos envidraçados, pela cobertura e pelo pavimento, devidas à diferença de temperatura entre o interior e o exterior do edifício, resultam da soma de quatro parcelas, dada pela equação (9): Q t = Q ext + Q lna + Q pe + Q pt, (9) em que: Q ext : transferência de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados, coberturas e pavimentos em contacto com o exterior; Q lna : transferência de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados e pavimentos em contacto com locais não aquecidos; Q pe : transferência de calor pelos pavimentos e paredes em contacto com o solo; Q pt : transferência de calor pelas pontes térmicas lineares existentes no edifício. 2.4.1.1.1 Transmissão de Calor pela Envolvente Opaca Nos elementos em contacto com o exterior, tais como paredes ou pontes térmicas planas, coberturas e pavimentos exteriores, os ganhos de calor Q ext (W), são calculados pela equação (10): em que: Q ext = U A (θ i θ atm ), (10) U : coeficiente de transmissão térmica do elemento da envolvente (W/m 2 ºC); A : área do elemento da envolvente medida pelo interior (m 2 ); θ i : temperatura do ar no interior do edifício ( C); θ atm : temperatura do ar exterior ( C). 33

O coeficiente de transmissão térmica, U (W/(m 2 ºC)), de elementos constituídos por várias camadas de materiais, em camadas de espessuras constantes, é calculado pela equação (11): = Σ, (11) onde: R j : Resistência térmica da camada j (m 2 ºC/W); R si : Resistência superficial interior (m 2 ºC/W); R se : Resistência superficial exterior (m 2 C/W). (12): Para camadas de material homogéneo, a resistência térmica R j é calculada pela equação em que: d j : espessura do material (m); =, λ j : condutividade térmica do material (W/(m C)). (12) Para camadas não homogéneas (alvenarias, lajes aligeiradas, espaços de ar, etc.) os valores correspondentes às resistências térmicas podem ser directamente retirados de tabelas publicadas no ITE 50 do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). θ i λ 1 λ 2 λ n θ atm d 1 d 2 d n Figura 28 - Condutibilidade térmica de várias camadas. 34

2.4.1.1.2 Elementos em Contacto Com Locais Não Aquecidos As transferências de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados e pavimentos que separam um espaço aquecido de um local não aquecido, Q lna (W), por exemplo, armazéns, arrecadações, garagens, corredores ou escadas de acesso dentro do mesmo edifício, sótãos não habitados (acessíveis ou não), etc., são calculadas, para cada um desses elementos, pela equação (13): em que: θ lna : temperatura do ar do local não aquecido ( C). Q lna = U A (θ i θ lna ), (13) A temperatura do ar do local não aquecido θ lna assume um valor intermédio entre a temperatura atmosférica exterior e a temperatura da zona aquecida. A temperatura do ar do local não aquecido, θ lna ( C), calcula-se através da equação (14): e o valor de τ é dado pela equação (15): θ lna = θ atm + (1-τ) (θ i θ atm ), (14) em que: τ=, θ i : temperatura interior de referência ( C); θ atm : temperatura ambiente exterior ( C). (15) Dada a dificuldade em conhecer com precisão o valor de θ lna sem fixação de alguns parâmetros de difícil previsão dependentes do uso concreto e real de cada espaço, admite-se que τ pode tomar os valores convencionais indicados na Tabela 19 para várias situações comuns de espaços não aquecidos. As perdas térmicas através de elementos em contacto com espaços não úteis constituem uma fracção do valor que teriam se esses elementos fizessem fronteira com o exterior. O coeficiente τ que traduz esse decréscimo de perdas, toma valores convencionais em função da natureza do espaço não útil, das suas condições de ventilação, e da relação entre as áreas da envolvente interior e exterior. 35

1.Circulação comum: 1.1Sem abertura directa para o exterior 1.2 Com abertura permanente para o exterior (por ex. ventilação ou desenfumagem) Tipo de espaço não útil Tabela 19 - Valores do coeficiente [16]. A i /A u De 0 a 1 De 1 a 10 Maior que 10 0,6 0,3 0 a) Área de aberturas permanentes/volume 0,8 0,5 0,1 total < 0,05 m 2 /m 3 b) Área de aberturas permanentes/volume total > 0,05 m 2 /m 3 0,9 0,7 0,3 2. Espaços comerciais 0,8 0,6 0,2 3. Edifícios adjacentes 0,6 0,6 0,6 4. Armazéns 0,95 0,7 0,3 5. Garagens 5.1 Privada 0,8 0,5 0,3 5.2 Colectiva 0,9 0,7 0,4 5.3 Pública 0,95 0,8 0,5 6. Varandas, marquises e similares 0,8 0,6 0,2 7. Coberturas sobre desvão não habitado (acessível ou não) 7.1 Desvão não ventilado 0,8 0,6 0,4 7.2 Desvão fracamente ventilado 0,9 0,7 0,5 7.3 Desvão fortemente ventilado 1,0 2.4.1.1.3 Transferência de Calor por Pavimentos e Paredes em Contacto com o Solo As transferências unitárias de calor (por grau Celsius de diferença de temperatura entre o ambiente interior e exterior) através das pontes térmicas, L pt (W/ C), são calculadas pela seguinte equação (16): L pt = Ψ j B j, (16) onde: Ψ : é o coeficiente de transmissão térmica linear (W/(m ºC)); B : é o perímetro do pavimento ou o desenvolvimento da parede, medido pelo interior (m). O coeficiente de transmissão térmica linear Ψ traduz a taxa de transferência de calor por metro linear para uma diferente temperatura entre o ambiente interior e exterior. Os coeficientes Ψ das pontes térmicas lineares mais representativos encontram-se tabelados no RCCTE para diferentes possibilidades de localização do isolamento térmico. A transferência de calor pelas pontes térmicas lineares, Q pt (W), é dada pela equação (17). 36

Q pt =L pt (θ i θ atm ), (17) Relativamente ao tipo de transferência de calor referente aos parâmetros L a considerar numa fracção autónoma, o RCCTE descrimina as categorias que se indicam na Tabela 20 para cálculo das necessidades de aquecimento. Tabela 20 Valores de perdas de condução através das envolventes [16]. Tipo Símbolo L (W.ºC -1 ) Perdas por condução através da envolvente Perdas pelas zonas correntes de paredes, envidraçados, coberturas e pavimentos em contacto com o exterior. Perdas pelas zonas correntes de paredes, envidraçados e pavimentos em contacto com locais não aquecidos. Perdas de calor pelos pavimentos e paredes em contacto com o solo. Q ext Q lna L ext =ƩU A L lna =ƩU A τ Q pe L pe =Ʃψ pe B Perdas de calor pelas pontes térmicas lineares existentes. Q pt L pt =Ʃψ pt B Ponte térmica linear é toda a parte de um edifício onde não é possível admitir a hipótese de uniformidade de resistência térmica, que é a abordagem de cálculo convencionalmente utilizada para zonas correntes dos elementos de construção. As pontes térmicas de fluxo de calor perdem o paralelismo e tomam direcção bidimensional ou tridimensional, de duas a três coordenadas no espaço. Os factores que estão na origem de pontes térmicas são: - transição entre materiais de diferentes condutibilidades térmicas; - alterações de espessura do elemento; - diferença entre áreas internas e externas, como ocorre no encontro de paredes (cunhais), entre paredes e tectos e entre paredes e pavimentos. No RCCTE encontram-se figuras com várias configurações tipo, de onde se podem retirar os valores de Ψ. Considerando a Figura 29 como exemplo, e assumindo que: - o isolamento é efectuado pelo exterior; - espessura e m da parede com 0,25 m; - cobertura de 0,10 m abaixo da laje e tendo em conta os valores apresentados na Tabela 21, tem-se um coeficiente de transmissão térmica de 0,55. 37

Figura 29 Ligação da fachada com pavimento sobre locais não aquecidos [16]. em que: e m : espessura da parede (m); e p : espessura do pavimento (m); d : cobertura de isolamento abaixo da laje (m). Tabela 21 - Valores de ψ [16]. e m (m) 0,15 0,20 0,25 >0,35 0< d < 0,30 0,45 0,50 0,55 0,60 2.4.1.2 - Ganhos Resultantes do Aproveitamento da Energia Solar O cálculo para os ganhos solares para as estações de Inverno e de Verão são efectuados de forma diferente, devido ao movimento do Sol variar ao longo do ano de acordo com a secção 2.1.2. Estes ganhos tomam vários valores consoante a zona do país. O país é dividido em três zonas climáticas de Inverno designadas por I1 I2 e I3 e em três zonas climáticas de Verão, estas designadas por V1 V2 e V3 (Figura 30). 38

a) b) Figura 30 - Zonas climáticas em Portugal Continental: a) Inverno; b) Verão [16]. Os ganhos solares na estação de Inverno são favoráveis, ou seja, contribuem com energia gratuita de aquecimento. Na estação de Verão os ganhos solares através dos vãos envidraçados são desfavoráveis contribuindo para um aumento da necessidade de arrefecimento. Uma das formas de evitar estes ganhos solares no Verão, é recorrer à utilização de estores, portadas, palas nas janelas ou persianas do lado exterior e a utilização de cortinas do lado interior. A Tabela 22 demonstra a distribuição de alguns concelhos de Portugal Continental segundo as zonas climáticas e correspondentes dados climáticos de referência. 39

Concelho Zona Climática de Inverno Tabela 22 - Dados climáticos de referência [16]. Número de graus dias, GD 4 (º C dias) Duração da estação de aquecimento (meses) Zona Climática de Verão Temperatura externa de Projecto ( C) Amplitude térmica ( C) Coimbra I1 1460 6 V2 33 13 Viseu I2 1940 7,3 V2 33 14 Sernancelhe I3 2600 7 V2 33 14 Beja I1 1290 5,7 V3 36 17 2.4.1.2.1 Ganhos Resultantes na Estação de Inverno Os ganhos solares através dos vãos envidraçados na estação de Inverno, é calculado através da equação (18): =, (18) em que: G sul : é o valor médio mensal da energia solar média incidente numa superfície vertical orientada a Sul de área unitária durante a estação de aquecimento (kwh/m 2 mês); X j : é o factor de orientação para diferentes exposições (Tabela 22); A snj : é a área efectiva colectora da radiação solar da superfície n que tem orientação j; j : é o índice que corresponde a cada uma das orientações; n : é o índice que corresponde a cada uma das superfícies com a orientação j; M : é a duração da estação de aquecimento, em meses. O valor da energia solar média G sul, expressa numa base mensal, que na estação de Inverno incide sobre uma superfície vertical a Sul, e que é função da zona climática de Inverno onde está implantada a construção, pode retirar-se da Tabela 23. Tabela 23 Energia solar média mensal incidente numa superfície vertical orientada a Sul na estação de aquecimento [16]. Zona de Inverno Energia solar, G sul (kwh/(m 2 mês)) I1 Continente 108 I2 Continente 93 I3 Continente 90 4 Graus dias de aquecimento (base 20 C) é um número que caracteriza a severidade de um clima durante a estação aquecimento e que é igual ao somatório das diferenças positivas registadas entre uma dada temperatura de 20 C e a temperatura do ar exterior durante a estação de aquecimento. 40

Se a superfície tiver outra orientação que não a Sul, então o valor de energia tem de ser multiplicado por um factor de orientação, X, para obter o valor de energia correspondente à direcção considerada, conforme nos mostra a Tabela 24. X Tabela 24 Factor de orientação X [16]. Octante N Octantes NE Octantes Octantes SE e NW E e W e SW Octante S Horizontal 0,27 0,33 0,56 0,84 1 0,89 Para efeito de aquecimento dos vãos envidraçados, interessa considerar a área realmente sujeita a radiação solar. A área efectiva colectora das superfícies verticais para cada uma das orientações. O valor da área efectiva A s deve ser calculado por cada vão, ou por características de vãos com características idênticas de incidência de radiação solar. A área efectiva A s (m 2 ) é dada pela equação (19): =, (19) em que: A : área total do vão envidraçado, isto, é, área da janela, incluindo o caixilho (m 2 ); F s : factor de obstrução; F g : factor de correcção devido à variação das propriedades do vidro com o ângulo de incidência da radiação solar; g : factor solar do vão envidraçado para radiação incidente na perpendicular ao envidraçado e que tem em conta eventuais dispositivos de protecção solar. Para apuramento do ganho solar do vão envidraçado é necessário considerar vários factores, tais como: - Factor de sombreamento devido a pala horizontal (F o ); - Factor de sombreamento devido a pala vertical (F f ); - Factor de sombreamento do horizonte (F h ). O factor de obstrução, F s, é dado pela equação (20): =. (20) 41

Os elementos de obstrução do edifício apresentam-se sob formas de palas fixas horizontais e verticais (Figura 31). Os valores do ângulo das palas são medidos a partir do ponto médio do vão envidraçado. Figura 31 - Pala horizontal e pala vertical [14]. Inverno. A Tabela 25 apresenta valores de F o para o Continente e Açores, para a estação de Tabela 25 - Valores do factor de sombreamento por elementos horizontais (Fo) [16]. Ângulo β N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 1,00 0,94 0,84 0,76 0,73 45º 1,00 0,90 0,74 0,63 0,59 60º 1,00 0,85 0,64 0,49 0,44 A Tabela 26 apresenta valores F f para a estação de Inverno, considerando uma pala vertical de acordo a Figura 31. Tabela 26 - Valores do factor de sombreamento por elementos verticais (F f ) [16]. Ângulo ρ N NE E SE S SW W NW 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 1,00 1,00 1,00 0,97 0,93 0,91 0,87 0,89 45º 1,00 1,00 1,00 0,95 0,88 0,86 0,80 0,84 60º 1,00 1,00 1,00 0,91 0,83 0,79 0,72 0,80 Para além das obstruções criadas pelos elementos do próprio edifício, é necessário considerar as obstruções exteriores ao edifício, como vegetação e outros edifícios. 42

O factor de sombreamento associado a estes elementos designa-se por factor de sombreamento do horizonte, F h, e, os valores obtêm-se a partir da Tabela 27 com base no ângulo de horizonte, α. O ângulo de horizonte é definido como o ângulo entre o plano horizontal e a recta que passa pelo centro do envidraçado e pelo ponto mais alto da maior obstrução existente entre dois planos verticais que fazem 60º para cada um dos lados da normal ao envidraçado, conforme Figura 32. Na existência de clarabóias no topo do edifício não são considerados os octantes, mas apenas o factor horizontal da Tabela 27. α Figura 32 - Factor de sombreamento do horizonte [16]. Tabela 27 - Valores do factor de sombreamento do horizonte (F h ) [16]. Ângulo de horizonte, α Horizontal N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1 1 1 1 1 1 10º 0,99 1 0,96 0,94 0,96 0,97 20º 0,95 1 0,96 0,84 0,88 0,90 30º 0,82 1 0,85 0,71 0,62 0,67 40º 0,67 1 0,81 0,61 0,52 0,50 50º 0,62 1 0,80 0,58 0,48 0,45 A fracção envidraçada, F g, traduz a redução da transmissão da energia solar associada à existência da caixilharia, sendo dada pela relação entre a área envidraçada e a área total do vão envidraçado. Na Tabela 28 apresentam-se valores típicos de caixilharia de utilização mais corrente. Tabela 28 - Fracção de área envidraçada para diferentes tipos de caixilharia [16]. Tipo de caixilharia Caixilho sem quadrícula Caixilho com quadrícula Janelas de alumínio ou aço 0,70 0,60 Janelas de madeira ou PVC 0,65 0,57 Fachadas Cortina de alumínio ou aço 0,90 - F g 43

O factor de correcção da selectividade angular dos vãos envidraçados, F w, traduz a redução dos ganhos solares causada pela variação das propriedades do vidro com o ângulo de incidência da radiação solar directa. O factor, F w, toma o valor de 0,9 para os vidros correntes simples e duplos. Para outro tipo de envidraçado, deve-se utilizar valores fornecido pelo fabricante com base na EN 410 [16]. O factor solar do tipo de vidro g é obtido pelo factor solar numa direcção perpendicular ao vidro, consoante a sua constituição. A Tabela 29 apresenta valores do factor solar para alguns tipos de vidro. Tabela 29 - Factor solar, g, para alguns tipos de vidro [16]. Tipo de Vidro Factor solar Simples Incolor 4 mm 0,88 5 mm 0,87 Duplo Incolor (4 a 8) mm + 4 mm 0,78 (4 a 8) mm + 5 mm 0,75 2.4.1.2.2 Ganhos Resultantes na Estação de Verão Os ganhos solares pelos vãos envidraçados para a estação de Verão, são calculados através da equação (21): =, (21) onde: Irj : é a energia solar incidente nos vãos envidraçados por orientação j. Os valores da intensidade de radiação para a estação convencional de arrefecimento, encontram-se na Tabela 30. Tabela 30 - Valores médios da temperatura do ar exterior e da intensidade da radiação solar para a estação convencional de arrefecimento (Junho a Setembro) [16]. Zona θ atm N NE E SE S SW W NW Horizontal V1N 19 200 300 420 430 380 430 420 300 730 V1S 21 200 310 420 430 380 440 430 320 760 V2N 19 200 320 450 470 420 470 450 320 790 V2S 23 200 340 470 460 380 460 470 340 820 V3N 22 200 320 460 460 400 460 450 320 800 V3S 23 210 330 460 460 400 470 460 330 820 44

Devido a relações angulares distintas entre o Inverno e o Verão, o factor do horizonte F h assume o valor 1 no cálculo do factor de obstrução obtido pela equação (20), e as variáveis F o (Tabela 31), F f (Tabela 32) e F w (Tabela 33) assumem novos valores. Tabela 31 - Valores do factor de sombreamento dos elementos horizontais, F o, no Verão [16]. Ângulo β N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 0,98 0,86 0,75 0,68 0,63 45º 0,97 0,78 0,64 0,57 0,55 60º 0,94 0,70 0,55 0,50 0,52 Tabela 32 - Valores do factor de sombreamento dos elementos verticais, F f, no Verão [16]. Ângulo ρ N NE E SE S SW W NW 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 1,00 0,86 0,95 0,96 0,91 0,91 0,96 1,00 45º 1,00 0,78 0,93 0,95 0,87 0,85 0,96 1,00 60º 1,00 0,69 0,88 0,93 0,84 0,77 0,95 1,00 Tabela 33 - Valores do factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados, F w [16]. Tipo de vidro N NE/NW E/W SE/SW S Vidro simples 0,85 0,90 0,90 0,90 0,80 Vidro duplo 0,80 0,85 0,85 0,85 0,75 O factor solar do envidraçado deve ter em conta os dispositivos de sombreamentos móveis activados a 70%, ou seja, o factor solar do vão envidraçado é igual à soma de 30% do factor solar do vidro mais 70% do factor solar do vão envidraçado com a protecção solar móvel actuada, indicando-se alguns valores na Tabela 34. Tabela 34 - Valores do factor de vãos com protecção solar activada a 100% e vidro incolor corrente (g ) [16]. Tipo de protecção Vidro simples Cor da protecção Vidro duplo Cor da protecção Clara Média Escura Clara Média Escura Protecção exterior Réguas metálicas 0,07 0,10 0,13 0,04 0,07 0,09 Protecção interior Estores de lâminas 0,45 0,56 0,65 0,47 0,59 0,69 Cortinas opacas 0,33 0,44 0,54 0,37 0,46 0,55 Cortinas Transparentes 0,38 0,46 0,56 0,38 0,47 0,56 45

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3 Eficiência Energética 3.1 Ciclo de Carnot Os ciclos termodinâmicos, podem ser projectadas em qualquer plano de coordenadas. A escolha de um diagrama deve-se à facilidade com que determinados processos podem ser visualizados e estudados. O diagrama T-s (temperatura-entropia) é utilizado no estudo de ciclos em geral, como o ciclo frigorífico e o ciclo de turbina a gás. O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico T-s, evolução da temperatura e entropia constante. O ciclo de Carnot é totalmente reversível, é um modelo perfeito para um ciclo de refrigeração operando entre dois pontos fixos de temperatura. A Figura 33 apresenta o ciclo de Carnot que relaciona temperatura-entropia. O calor é retirado a temperatura constante T R da região a ser arrefecida. O calor é rejeitado a temperatura ambiente T o. O ciclo é completado por uma expansão isentrópica (3 4) e uma compressão isentrópica (1 2). Figura 33 - Ciclo de compressão a vapor de Carnot [17]. 47

A transferência de energia é dada por: Q 0 =T 0 (S 2 -S 3 ), (21) O trabalho é dado por: Q R = T R (S 1 -S 4 ) = T R (S 2 -S 3 ), (22) W net = Q 0 Q R. (23) A performance do ciclo de refrigeração é usualmente descrita como Coefficient of Performance (COP). Para um sistema mecânico de compressão de vapor, a energia fornecida é geralmente sob a forma de trabalho onde podemos incluir o trabalho do compressor. Assim, temos: = ê é ê, onde o beneficio de um processo de refrigeração é a remoção do calor do espaço. = = (24) Q r : Calor retirado da zona fria (kj); T r : Temperatura da zona fria (ºK); T o : Temperatura da zona quente (ºK). Para uma bomba de calor, o benefício é o calor adicionado ao espaço, ou seja Q o. A relação do calor fornecido ao espaço e o trabalho do compressor dá-nos o COP heatpump, de acordo com a equação (25). = =, (25) também calculado através da equação (26), 48

= = = +1= +1. (26) As equações anteriores apresentam notações Norte Americanas como COP refri e COP heatpump, ao nível Europeu é designado por EER e COP, respectivamente. 3.2 Etiquetagem Energética A finalidade da classificação europeia em função da eficiência energética (denominada EUROVENT) é simplificar a selecção das melhores unidades para cada tipo de Chiller. A determinação do EER e do COP são efectuadas com o Chiller a trabalhar à plena carga [19]. A classificação é realizada com base numa letra de A a G, conforme a Tabela 35, em que a letra A corresponde a um equipamento mais eficiente, e a letra G a um equipamento menos eficiente. Os equipamentos de classe G, não podem ser comercializados na União Europeia. Tabela 35 - Classificação em função do EER e do COP [18]. EER Classificação Ar Refrigerado Água Refrigerada COP Classificação Ar Refrigerado Água Refrigerada A >3,1 >5,05 A >3,2 >4,45 B 2,9>3,1 4,65>5,05 B 3,0>3,2 4,15>4,45 C 2,7>2,9 4,25>4,65 C 2,8>3,0 3,85>4,15 D 2,5>2,7 3,85>4,25 D 2,6>2,8 3,55>3,85 E 2,3>2,5 3,45>3,85 E 2,4>2,6 3,25>3,55 F 2,1>2,3 3,05>3,45 F 2,2>2,4 2,95>3,25 G <2,1 <3,05 G <2,2 <2,95 3.3 Eficiência dos Processos de Ventilação A densidade de ocupação e de equipamentos e materiais sintéticos estão na origem de elevada taxa de geração de poluentes no interior do edifício. Por esta razão, a qualidade do ar interior é, na generalidade dos casos, significativamente inferior à qualidade do ar no exterior. Uma má qualidade de ar interior pode originar efeitos imediatos tais como odores desagradáveis, efeitos a curto prazo como irritações e infecções ao nível das vias respiratórias da pele e dos olhos. Em Portugal, as concentrações máximas de referência de poluentes no interior dos edifícios são fixadas por lei. O RSECE, estabelece os valores limites para seis tipos de poluentes (Tabela 36). 49

Tabela 36 Concentrações máximas de referência de poluentes no interior de edifícios em Portugal [5]. Parâmetros Concentração máxima permitida (mg/m 3 ) Partículas suspensas no ar (PM10) 0,15 Dióxido de carbono (CO 2 ) 1800 Monóxido de carbono (CO) 12,5 Ozono (O 3 ) 0,2 Formaldeído (CH 2 O) 0,1 Compostos Orgânicos Voláteis totais 0,6 O vapor de água é um constituinte do ar, sendo variável a sua proporção. No que diz respeito ao ar interior, a quantidade de vapor de água pode influenciar a actividade dos ocupantes. Baixos valores de humidade relativa podem provocar sensações de secura, enquanto um valor alto de humidade relativa pode originar desconforto (inibe a transpiração da pele). A principal fonte de dióxido de carbono no ar interior é devido ao metabolismo dos ocupantes; outras fontes comuns são os aparelhos de combustão como fogões, esquentadores e lareiras. Composto Orgânico Volátil, (COV), são compostos orgânicos que contem carbono, facilmente vaporizados em condições de temperatura e pressão ambiente. Os COVs têm um grande impacto sobre a saúde em função da sua toxicidade e efeito cancerígeno. As principais fontes de COV no interior dos edifícios são: - tintas, vernizes, colas, solventes; - alcatifas, papel de parede; - mobiliário; - produtos de limpeza; - produtos de higiene pessoal e cosméticos. No caso da presença de quaisquer destes materiais num dado espaço, o sistema de climatização ou de ventilação deve estar previsto para assegurar uma taxa de renovação do ar efectiva em 50 % superior à especificada no anexo VI do RSECE. A ventilação tem um papel fundamental na reposição e manutenção da concentração adequada de oxigénio para a respiração dos seres humanos. A ventilação, por outro lado, assume uma função determinante ao permitir assegurar as adequadas condições higrotérmicas e a boa qualidade do ar interior dos edifícios pela remoção de substâncias poluentes. Uma forma eficaz para a remoção de poluentes é recorrer a ventilação. 50

A eficiência de ventilação define-se como a razão entre o caudal de ar novo que efectivamente chega a zona ocupada de um dado espaço e o caudal de ar novo insuflado no mesmo. Nos casos de estratégia de circulação do ar por mistura há sempre algum ar insuflado que é extraído sem que passe na proximidade dos ocupantes. Os valores para a eficiência de ventilação de 60, 70, 80, 90 e 100 são descritos da seguinte forma: - 60 %: nos casos em que a insuflação e a extracção sejam ambas feitas pelo tecto (Figura 34), ou junto deste e próximas entre si (situações em que o jacto de insuflação atinge o local por onde é feita a extracção) e sem medidas especificas para reduzir o risco de curto-circuito do ar entre elas; - 70 %: nos casos que se enquadrem numa situação intermédia entre as descritas para utilização dos valores de eficiência de 60 % e 80 %, por exemplo, quando apenas ocorre curto-circuito relativamente a uma parte dos difusores; - 80 %: nos espaços com boa estratégia de distribuição do ar insuflado, incluindo situações com insuflação e extracção (ambas) no tecto ou junto deste (Figura 35), desde que exista cumulativamente: - Minimização de risco de curto-circuito, através da maximização da distância insuflação-extracção, ou de estratégias que optimizem o percurso efectivo do jacto de ar de insuflação na zona ocupada; - Difusores de alta indução 5, bem distribuídos; - Extracção em zonas mortas do campo de escoamento; - 90 %: situações em que a insuflação se faz numa junto ao pavimento e a extracção junto ao tecto sem hipótese de curto circuito, ou outro tipo de insuflação em que a mistura é excelente e se aproxima da eficiência de sistemas do tipo por deslocamento ( displacement ); Nos casos de estratégia de circulação de ar por deslocamento, deve ser sempre considerada uma eficiência de ventilação de 100 %, visto que a entrada é feita ao nível do pavimento, na zona ocupada, mais frio que a temperatura da sala, a baixa velocidade. Ao entrar em contacto com as fontes poluentes, aquece e sobe para formar uma camada estratificada acima da zona ocupada. O ar poluído é extraído a partir da zona estratificada, junto ao tecto. Na zona ocupada, o ar respirado pelos ocupantes está limpo e a temperatura bastante uniforme, sendo por isso aceite uma eficiência de ventilação perto dos 100 % [19]. 5 Estes difusores são apelidos de rotacionais ou de alta indução tendo em conta o efeito de rotação que o ar por eles insuflado provoca no ar-ambiente. 51

Figura 34 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 60% [20]. Figura 35 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 80% [20]. 52

4 Equipamentos de AVAC O termo AVAC, vulgarmente utilizado na designação dos sistemas de climatização, refere-se aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado. Uma instalação de ar condicionado deve ser capaz de manter ao longo de todo o ano, a temperatura desejada e um nível de humidade relativa aceitável. Deve também assegurar uma pureza do ambiente adequada e simultaneamente manter a velocidade do ar nas zonas ocupadas dentro dos limites requeridos para proporcionar condições de conforto aos ocupantes. O controlo da pureza e o movimento do ar não apresentam normalmente problemas, visto que é suficiente estabelecer adequadamente o caudal de ar exterior que deve ser introduzido, o tipo de filtros que deverão ser adequados e estudar o sistema de distribuição de ar no ambiente. Nos casos dos sistemas em que o caudal de ar insuflado no ambiente seja variável é, sem dúvida, necessário prestar especial atenção porque em determinadas alturas, nomeadamente sob condições de carga reduzida, a distribuição do ar na zona ocupada pode ser deficiente devido à velocidade do ar em contacto com os ocupantes poder ser muito baixa, a diluição dos contaminantes tornar-se insuficiente e, eventualmente o ruído variável pode tornar-se incomodativo. A manutenção da humidade relativa dentro dos limites aceitáveis pode ser conseguida duma forma adequada desde que os efeitos da carga sensível e da carga latente sejam controlados separadamente. Quando o processo de remoção da carga sensível e da carga latente, é feito em simultâneo, como é exemplo o processo que ocorre numa bateria de arrefecimento, surgem dificuldades no controlo da humidade relativa porque o funcionamento da bateria é comandado normalmente pelo termóstato. Um problema importante que também se coloca nas instalações de ar condicionado, é conseguir manter as temperaturas dos diferentes ambientes dentro dos limites definidos no projecto, problema que é especialmente complexo nos edifícios em que existam simultaneamente determinadas zonas que necessitam de ser aquecidas e outras zonas que necessitam de ser arrefecidas. Estas necessidades surgem devido às cargas térmicas de aquecimento e de arrefecimento muitas das vezes evoluírem no tempo de forma diferente em 53

cada uma das zonas do edifício devido à influência da temperatura exterior, da radiação solar, da ocupação e de outras causas. É neste âmbito que é importante estudar as características e limitações dos diferentes tipos de sistemas de climatização. Os sistemas de climatização podem ser classificados segundo o tipo de fluidos que se emprega nos equipamentos terminais existentes nos ambientes condicionados para anular o efeito das cargas térmicas latentes e sensíveis desses mesmos ambientes. Deste modo, podem então ser definidos os seguintes sistemas de climatização: - Sistemas Tudo Ar; - Sistemas Tudo Água; - Sistemas Água Ar. Os sistemas tudo ar consistem numa técnica de climatização em que a remoção da carga térmica de diferentes zonas dum edifício é efectuada apenas pela distribuição de ar tratado nos equipamentos dos sistemas individuais ou nos sistemas centralizados. Nos locais técnicos centralizados existem normalmente unidades produtoras de água quente (Chiller/ Bomba de calor e caldeiras) que asseguram a produção primária de frio e de calor, utilizando fluidos refrigerantes e água, necessários nos equipamentos de tratamento de ar (UTA). O ar depois de tratado é distribuído até aos locais condicionados onde, ao ser insuflado no ambiente pelos dispositivos terminais, deve varrer adequadamente a zona ocupada para que o efeito de carga térmica em jogo seja realmente anulado de uma forma correcta. Na prática existem poucos sistemas verdadeiramente tudo ar. Os sistemas tudo água consistem numa técnica de climatização em que se distribui pelos equipamentos terminais existentes em cada ambiente unicamente água fria ou água quente em função das necessidades de arrefecimento ou de aquecimento. Estes sistemas apresentam a vantagem de necessitarem dum espaço reduzido para o circuito de tubagem de distribuição de água aos diferentes locais. As unidades terminais mais utilizadas para anular o efeito das cargas térmicas de aquecimento e arrefecimento são os ventilo-convectores. Nestes sistemas tudo água não existe um circuito de distribuição de ar novo pelos espaços. Nos sistemas água - ar, o condicionamento dos ambientes dos diferentes locais é feito utilizando em simultâneo a distribuição de água e de ar. O ar que se introduz mecanicamente nos locais é designado por ar primário e é constituído normalmente apenas por ar novo que foi tratado centralmente numa unidade de tratamento de ar. 54

A função principal deste ar primário consiste em assegurar as necessidades mínimas de ventilação e o controlo da humidade relativa dos diferentes locais. Uma outra classificação possível é relativa ao tipo de instalação do equipamento. Neste âmbito, aparece a seguinte divisão quanto à localização dos equipamentos de produção de calor e de frio inerentes aos sistemas: - Sistemas individuais; - Sistemas centralizados. Nos sistemas individuais, os equipamentos de produção de calor ou de frio são compactos, utilizam o sistema de expansão directa de um fluido refrigerante, servem apenas um local e estão localizados próximos dos ambientes que climatizam. Nos sistemas centralizados, os equipamentos de produção de frio e de calor estão situados em local técnico distinto dos locais a climatizar. Estes sistemas podem servir vários locais através da distribuição do fluido de transferência de energia (ar, água ou fluido refrigerante) pelos equipamentos terminais em contacto directo com o ambiente dos locais condicionados. Existem inúmeros tipos de sistemas AVAC e formas de serem utilizados para controlar as condições ambientais no interior dos edifícios. Em cada aplicação, o projectista deve pois considerar as características de cada tipo de sistema e decidir qual a melhor solução a escolher. 4.1 Métodos de expansão Os métodos de expansão são classificados em dois tipos: (a) Directa; (b) Indirecta. No método de expansão directa (Figura 36), a troca de calor é efectuada directamente entre o ar ambiente e o fluido refrigerante, como é o caso dos sistemas multi-split de ar condicionado e sistemas VRV. 55

Fluxo de ar Circuito refrigerante Ar Ambiente Figura 36 - Método de expansão directa [21]. No método de expansão indirecta (Figura 37), a troca de calor com o ar ambiente é feita indirectamente, ou seja, é feita por meio de outro refrigerante, como por exemplo, a água. O sistema Chiller associado aos ventilo-convectores utiliza este tipo de expansão. Fluxo de ar Fluxo de água Ciclo de refrigeração Unidade Ventilo-convector Unidade de arrefecimento de água Figura 37 - Método de expansão indirecta [21]. 4.2 Bomba de Calor A bomba de calor funciona com base no circuito frigorífico (Figura 38). A bomba de calor extrai energia térmica do ar ambiente exterior transferindo-o para o interior através de um fluido frigorigéneo, esta transferência é efectuada através do compressor. O sistema 56

possui dois permutadores de calor, um designado por evaporador (absorve calor) e o outro por condensador (liberta calor). 1- Compressor 2- Condensador 3- Válvula de expansão 4- Evaporador Figura 38 - Circuito frigorífico [22]. Um circuito frigorífico é composto por 4 fases: Fase 1 O compressor comprime o refrigerante do sistema e é o núcleo duma unidade de ar condicionado. Antes de passar pelo compressor, o refrigerante é um gás com baixa pressão. Devido ao compressor, o gás ganha pressão, aquece e flui em direcção ao condensador. Fase 2 Ao chegar ao condensador o gás com alta temperatura e pressão liberta o calor para o ar exterior e transforma-se num líquido arrefecido. Fase 3 O líquido que mantem uma pressão alta, passa por uma válvula de expansão, que reduz a pressão do refrigerante. Assim, a temperatura desce e fica abaixo do espaço refrigerado. Daqui resulta um líquido refrigerante de baixa pressão. Fase 4 O líquido refrigerante de baixa pressão flui até ao evaporador, onde o calor do ar interior da divisão através dum processo de evaporação, torna-se mais uma vez num gás de baixa pressão. O gás flui mais uma vez em direcção ao compressor e o ciclo recomeça. Sem dúvida que a bomba de calor é uma tecnologia que em parte utiliza mais energia térmica do ambiente que a energia eléctrica utilizada no seu funcionamento. Baseado nas estatísticas da European Heat Pump Association (EHPA), um total de 2129929 unidades de calor foram vendidas entre 2005 a 2009 na Europa EU-9 (Figura 39), e em 2008 um total de 1000 milhões de euros (Figura 40). Por isso a bomba de calor pode ser um importante meio 57

para alcançar o objectivo europeu de realização dos três vinte em 2020, isto é, a redução de 20% nas emissões de gases efeitos de estufa, a contribuição de 20% das energias renováveis no share do consumo final e o aumento de 20% de eficiência energética [23]. Convém, no entanto, referir a necessidade de incentivar a substituição da tecnologia não eficiente existente nas instalações já construídas. Para atingir esta meta a União Europeia tem-se esforçado para criar tecnologias mais eficientes de iluminação, refrigeração e aquecimento de ambientes. A rotulagem é uma forma de incentivar um consumo mais responsável do ponto de vista ambiental. Figura 39 - Unidades de bombas de calor vendidas entre 2005 à 2009 em 9 países europeus [24]. Figura 40 Total de vendas por produto em 2008 em 9 países europeus [25]. 58

4.3 VRV e Unidades Interiores 4.3.1 VRV (Volume de Refrigerante Variável) O sistema VRV (volume 6 de refrigerante variável), também conhecido como VRF (do inglês: Variable Refrigerent Flow), é um sistema de expansão directa onde o fluxo do gás refrigerante é variável. A unidade exterior é constituída por um permutador de calor e por um compressor scrool (Anexo I) de velocidade variável, controlado por um variador electrónico de velocidade ou inverter. Funciona como um sistema multi-split (Figura 41), com uma unidade externa ligada a múltiplas unidades interiores, podendo chegar às 64 unidades interiores. As unidades interiores são ligadas à unidade exterior por uma conduta frigorífica, composta por dois ou três tubos. Figura 41 - Sistema VRV a dois tubos [26]. Conhecendo a potência necessária, a unidade exterior pode ser constituída por dois ou mais elementos agrupados. 6 VRV termo geralmente utilizado por representantes das marcas de climatização em Portugal. Porém, o que varia é o fluxo e não o volume. 59

O maior inconveniente dos sistemas VRV é a possibilidade de ocorrer uma fuga do fluido frigorigéneo no interior do edifício, pelo que deverá haver algum cuidado na execução do projecto para evitar possíveis intoxicações dos ocupantes. Os sistemas VRV mais sofisticados permitem o aquecimento e o arrefecimento em simultâneo, exigindo mais um tubo, sendo denominado por sistemas VRV a três tubos (Figura 42). Estes sistemas permitem o controlo individual de cada local, com temperaturas precisas. São sistemas reversíveis do modo de aquecimento ao modo de arrefecimento através de uma válvula de quatro vias que inverte o sentido do ciclo frigorífico. O aquecimento de algumas zonas e o arrefecimento de outras pode ser realizado através deste sistema. Um sistema VRV a três tubos é vantajoso em edifícios em que os compartimentos se encontrem em fachadas opostas, em que simultaneamente seja necessário efectuar o aquecimento e o arrefecimento, como por exemplo, devido a diferentes cargas internas (ocupantes, equipamentos, iluminação) e/ou ganhos solares. Figura 42 - Sistema VRV a três tubos [27]. Em unidades hoteleiras de luxo onde a clientela é diversificada, é necessário assegurar condições de absoluto conforto, sendo que estas podem variar consoante o cliente. A melhor forma de responder a estas exigências passa pela aplicação de um sistema VRV a três tubos (Anexo II). De acordo com a análise da Building Services Research and Information Association (BSRIA), a procura de equipamentos tecnologicamente avançados tem aumentado as vendas dos equipamentos de climatização. O destaque vai para os sistemas VRVs, o segmento que apresenta melhores resultados previstos com uma taxa de crescimento anual cerca de 9 % entre 2007 a 2012 (Figura 43). 60

Figura 43 - Taxa média de crescimento anual de 2007 a 2012 [25]. 4.4 Chiller e Ventilo-Convectores 4.4.1 Chiller Os equipamentos para produção de frio são muitas vezes designados pelo termo inglês Chiller (Figura 44). Estes equipamentos efectuam o arrefecimento do fluido térmico, através da água ou do ar, pelo que se designam por Unidade Produtora de Água Refrigerada e Unidade de Arrefecimento de Ar, respectivamente. A forma como é obtido o arrefecimento do ar ou da água baseia-se num ciclo frigorífico que pode ser de compressão de vapor ou de absorção 7. Qualquer um destes dois ciclos trabalha num princípio comum - para retirar ou fornecer calor a um fluido é necessário pô-lo em contacto com outro fluido a uma temperatura mais baixa ou mais elevada. Utilizando um fluido num circuito fechado, ele terá que receber o calor do fluido (ar ou água) que se pretende arrefecer a uma temperatura mais baixa e depois lançá-lo para o exterior. 7 No ciclo de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido adequado, uma bomba que faz subir a pressão do líquido e por um gerador que, com adição de calor, afasta o vapor refrigerante do líquido a alta pressão. As combinações mais comuns são a de amónia como refrigerante e água como absorvente ou a de água como refrigerante e brometo de lítio como absorvente. 61

Figura 44 - Chiller com arrefecimento a ar [28]. 4.4.2 Ventilo-Convector Os ventilo-convectores (Figura 45) têm várias capacidades, entre os 3 e os 13 kw, e estas unidades de conduta podem ser aplicados em tectos falsos. O caudal de ar varia entre os 500 e os 1350 m³/h com uma pressão estática entre os 50 a 60 Pa. Figura 45 - Ventilo-Convector para tecto falso [28]. 62

A unidade de base tem 2 tubos, com um filtro de fibra acrílica, equipada com válvulas de 2 ou 3 vias. Pode ainda ser adicionado à unidade-base um aquecimento adicional de 4 tubos. Existe uma larga variedade de escolha na selecção de unidades que possam ser combinadas para cumprir determinados requisitos de volume sonoro e de níveis de capacidade recorrendo a permutadores de calor de 3, 4 ou 6 fiadas, e a ventiladores centrífugos de hélices frontais simples, duplos ou triplos. Do mesmo modo, a possibilidade de escolha de 3 velocidades no ventilador, permite aos utilizadores seleccionar a velocidade mais adequada. Tipicamente, a níveis de ruído acústico é muito baixo, em parte, devido ao de apoios vibratórios (potência sonora inferior a 36 dba). Podem ser controladas individualmente até quatro unidades ventilo-convectores através da interface e de um controlo remoto, oferecendo uma selecção automática da velocidade do ventilador dependente da diferença entre a temperatura de referência e real dos espaços. Os permutadores de calor são construídos com tubos de cobre e alhetas de alumínio, por ligação hidráulica e um filtro de ar lateral. A condensação gerada pelo permutador de calor e pela válvula reguladora é recolhida por um tabuleiro de condensados colocado, no centro para não interferir com o espaço necessário à instalação. Todos os ventilo-convectores de 2 e 4 tubos foram criados para complementar a gama de Chiller a água. 63

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5 Caso de Estudo O presente caso de estudo visa comparar dois sistemas de climatização diferentes para um edifício em construção (Figura 46) destinado ao apoio da terceira idade e infantário, com uma área de 2250 m 2, no concelho de Sernancelhe. Figura 46 Edifício de apoio à 3ª idade e infantário. Para efectuar a comparação, foram considerados dois sistemas, um sistema VRV a dois tubos e um sistema Chiller/ Bomba de calor, ambos da marca Daikin. Os dois sistemas considerados são constituídos da seguinte forma: - Sistema VRV com as respectivas unidades interiores - Sistema Chiller a produzir frio ou calor, sendo o aquecimento ou o arrefecimento dos locais efectuado por ventilo-convectores. Para os dois sistemas foi determinado o consumo anual, tendo em conta o perfil de utilização e a influência das cargas internas e externas ao longo das horas do dia e dos meses do ano. 65

Para comparação dos dois sistemas consideraram-se quatro soluções distintas, sendo que a solução 1 e 3 refere-se ao dimensionamento normalmente utilizado, e a solução 2 e 4 refere- -se à optimização da solução 1 e 3, conforme descrito a seguir: Solução 1 Chiller, de acordo com a potência total instalada; Solução 2 Chiller, utilizado de forma optimizada alimentando duas zonas distintas de acordo com o perfil de utilização; Solução 3 VRV, de acordo a potência total instalada; Solução 4 VRV, ajustado ao pedido de potência. 5.1 Metodologia Utilizada Elaborou-se um esquema (Figura 47) com a metodologia utilizada de uma forma detalhada para uma melhor análise e compreensão deste caso de estudo, devido à enorme quantidade de cálculos necessários a efectuar, de forma a determinar os equipamentos mais adequados e eficientes para o edifício. 66

Determinar a temperatura média para a estação de aquecimento e arrefecimento Definir o perfil de utilização do Edifício Caudais mínimos de ar novo de acordo com o anexo VI do Decreto-Lei 79/2006 Cálculo das cargas internas do Edifício Iluminação Actividade metabólica Equipamentos Identificação da envolvente do Edifício Cálculo dos ganhos e das perdas planas Perdas e ganhos pelas paredes em contacto com o exterior Perdas e ganhos pela laje em contacto com o exterior Perdas e ganhos de um local aquecido para um local não aquecido Cálculo dos ganhos e das perdas lineares Perdas térmicas lineares através do pavimento Perdas e ganhos pelos compartimentos contíguos da mesma habitação Cálculo das potências de aquecimento e arrefecimento Perdas de ligação entre a parede da fachada e cobertura Cálculos do retorno do investimento Figura 47 Esquema metodológico. 67

5.1.1 Temperaturas Médias Com o objectivo de determinar as potências de climatização de forma precisa, foi necessário recorrer a base de dados do Solterm [29], onde se calculou as temperaturas médias em cada hora ao longo do mês, que se apresentam na Tabela 37 e Figura 48 para o mês de Janeiro, e Tabela 38 e Figura 49 para o mês de Julho, conseguindo obter temperaturas médias a cada hora do dia. Tabela 37 - Temperaturas médias de Janeiro [29]. Temperaturas médias de Janeiro Hora 00:00 1.00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 C 4,6 4,4 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 3,3 4 5,2 6,8 Hora 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 C 8,2 9,4 10,1 10,2 9,7 8,8 7,8 7 6,3 5,7 5,3 4,9 10 Janeiro Temperatura ( o C) 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora Figura 48 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para o mês de Janeiro 8 [29]. Tabela 38 - Temperaturas médias de Julho [29]. Temperaturas médias de Julho Hora 00:00 1.00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 C 17,4 16,8 16,1 15,5 14,9 14,9 15,3 16,6 18,4 20,6 22,9 25,2 Hora 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 C 27,2 28,8 29,7 29,9 29,4 28,2 26,5 24,3 22,1 20,5 19,2 18,2 8 Média da temperatura em cada hora de todos os dias do mês de Janeiro. 68

35 30 Julho Temperatura ( o C) 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora Figura 49 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para mês de Julho 9 [29]. A Figura 50 apresenta temperaturas médias ao longo do ano para a zona de Sernancelhe, que confirma os gráficos apresentados. Temperatura (ºC) 25 20 15 10 5 0 Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Figura 50 - Temperaturas médias diário ao longo do ano [2]. 9 Média da temperatura em cada hora de todos os dias do mês de Julho. 69