Modelo Simplificado de Previsão do Comportamento

Transcrição

Mestrado em Engenharia Civil
Processos e Gestão da Construção
Dissertação
Modelo Simplificado de Previsão do Comportamento Térmico de Edifícios
Mestrando
Licenciado Ricardo Jorge Alves Silvestre Lobão
Orientador
Professora Doutora Maria Manuela O. G. de Almeida
Guimarães, Janeiro de 2004
À minha mulher Cila,
aos meus pais,
e aos meus amigos.
modelo simplificado de previsão do comportamento térmico de edifícios
2
Resumo
O tema deste trabalho prende-se com a necessidade de, nos dias de hoje, encontrar uma
ferramenta técnica que responda aos diversos tipos de tipologia construtiva existente sob o
ponto de vista de uma análise térmica comparativa entre os vários constituintes da envolvente.
Na certeza de que, cada vez mais, e na observância das novas Directivas Europeias, os
factores relacionados com o conforto térmico assumem uma maior importância no contexto
global dos edifícios, definiu-se um programa de cálculo automático, baseado num modelo
teórico existente, e que assenta numa plataforma de programação que permite uma maior
contextualização e interacção entre o utilizador e os modelos matemáticos até agora
utilizados.
O trabalho agora proposto tem como objectivo a simulação de situações concretas
representando soluções construtivas diversas, sendo capaz de antecipar conclusões quanto às
diferentes tipologias estruturais e de organização espacial, permitindo maximizar o conceito
de conforto térmico dos espaços.
Este modelo, designado de “mpcte” foi desenvolvido em linguagem de programação Visual
Basic 6.0 e permite ao utilizador definir quer em termos físicos quer em termos espaciais toda
a envolvente em estudo, incluindo as suas coordenadas no globo terrestre (latitude e
longitude). O modelo permite também o carregamento de um ficheiro climático,
representativo da localização do espaço em estudo, que não é mais que o conjunto das
medições horárias da temperatura exterior e da radiação solar. Em termos de resultados,
podemos obter outputs que avaliam a evolução das temperaturas interiores e a inércia térmica
em termos horários durante todo o período de simulação.
Palavras-chave:
Ferramentas de simulação térmica de edifícios, avaliação do conforto térmico, inércia térmica,
construção sustentável.
3
Abstract
The work performed arose due to the necessity now-a-days for a technical tool that can
adequately perform a comparative analysis between the various elements of a compartment
with regards to different types of construction typologies.
Ever more, and in accordance with the new European Directives, the factors related to thermal
comfort assume a greater importance within the global context of buildings. Therefore, a
software was developed, based on an existing theoretical model, that allows for greater
contextualization and easier interaction in between the user and the mathematical models now
available.
The objective of the proposed work is to simulate realistic situations defining the diverse
constructive solutions, being able to predict conclusions with regards to the different
structural typologies and the spatial organization, allowing the maximization of the concept of
spatial thermal comfort.
The software, named “mpcte”, was developed using the Visual Basic 6.0 programming
language. It allows the user to define the surrounding space, both in physical and spatial
terms, including the coordinate on the earth surface (longitude and latitude). The model can
also load a climatic file, representing the space under study, with regards to the variation in
time of the external temperatures and solar radiation. The results show the time evolution
(hourly values) of the compartment interior temperatures and of the thermal inertia associated
to the space throughout the simulation period.
Keywords:
Building thermal simulation tools, thermal comfort assessment, thermal inertia, sustainable
construction.
4
Resumé
Le sujet de ce travail se tient avec le besoin de, à nos jour, trouver un outil technique qui puise
répondre aux différents types de typologie constructive existante sur l’endroit d’une analyse
thermique comparative entre les différents constituants de l’enveloppe. Certes que, de plus en
plus, et dans l’observance dés nouvelles Directives Européennes, les facteurs rapportés au
confort thermique prennent une importance plus forte au contexte global dés bâtiments, on a
défini un programme de calcul automatique fondé sur un modèle théorique existante, et qui se
porte sur une plate-forme de programmation qui permet une majeur contextualisation et une
plus facile interaction entre l’utilisateur et les modèles mathématiques utilisés jusqu’au
moment.
Le travail proposé maintenant a le bute de simuler des situations concrètes en représentant des
solutions constructives variées capables d’anticiper des conclusions en ce qui concerne les
différents typologies structurales et de l’organisation spatiale, en permettant maximiser le
concept de confort thermique des espaces.
Ce modèle, dénommé de “mpcte“ a été développé dans le langage de programmation Visual
Basic 6.0 et permet à utilisateur définir soit en termes physiques soit en termes spatiales tout
l’enveloppe en étude, compris ses coordonnées au globe terrestre (latitude et longitude). Le
modèle permet encore le chargement d’un fichier climatique, représentatif de la localisation
de l’espace en étude, l’assemblage des méditions horaires de la température extérieur et de la
radiation solaire. En ce qui concerne les résultats, on peut obtenir outputs qu’évaluent
l’évolution des températures intérieures et de l’inertie thermique en termes horaires pendent
tout le période de simulation.
Keywords:
Outils de simulation thermique des édifices, évaluation du confort thermique, inertie
thermique, construction soutenable.
5
Agradecimentos
Gostaria de agradecer, em primeiro lugar, à Professora Manuela Almeida, minha orientadora
científica, cujo interesse e empenho foram fundamentais para a concretização desta tese.
Agradeço também a todos os autores e investigadores cujo trabalho e pensamento fui
conhecendo através de livros e artigos, e com quem aprofundei o gosto por este tema, que
considero de supra importância para o futuro de uma construção sustentada.
À minha esposa pelo apoio constante, paciência e compreensão demonstrados.
6
Simbologia e Notações
A
Área do elemento (m2)
a
Coeficiente de absorção
ar
Azimute do elemento (graus)
as
Azimute do Sol (graus)
azimute
Ângulo horizontal medido em relação ao Norte (graus)
Ceff
Capacidade térmica efectiva do compartimento (MJ/ºC)
ceffi
Capacidade térmica efectiva do elemento (MJ/ºC)
ei
Espessura do elemento (m)
envidraçado/parede direita
Distância do envidraçado à parede direita (m)
envidraçado/parede esquerda Distância do envidraçado à parede esquerda (m)
ET
Equação do tempo (horas)
FRV
Factor de redução do envidraçado (varia entre 0 e 1)
fs
Factor de sombreamento
fsolar
factor solar do vão envidraçado
fsp
factor solar da protecção do vão envidraçado
fsv
factor solar do vidro
G
Radiação exterior (W/m2)
hs
Ângulo solar (graus)
I
Radiação incidente nos elementos da envolvente (MJ/ºC)
U
Coeficiente global de perdas (W/m2ºC)
largura
Largura do compartimento (m)
latitude
Latitude (graus)
longitude
Longitude (graus)
N
Número de renovações de ar por hora
pé direito
Pé direito do compartimento (m)
período de simulação
Período de simulação do estudo (dias)
profundidade
Profundidade do compartimento (m)
Qarm
Calor armazenado nos elementos da envolvente (MJ/ºC)
Qpe
Perdas pela envolvente (MJ/ºC)
Qpi
Perdas por infiltração (MJ/ºC)
Ri
Radiação incidente nos elementos da envolvente (MJ/ºC)
Text
Temperatura exterior ao compartimento (ºC)
7
Tint
Temperatura interior do compartimento (ºC)
TSV
Tempo solar verdadeiro (horas)
V
Volume do compartimento (m3)
α
Altura solar (graus)
δ
Declinação solar (graus)
∆T
Amplitude térmica interior (ºC)
λi
Condutibilidade térmica da camada i (W/mK)
αint
Coeficiente de convecção da face interior (W/m2K)
αext
Coeficiente de convecção da face exterior (W/m2K)
8
Índice do Trabalho
Resumo .................................................................................................................................... 3
Abstract .................................................................................................................................... 4
Resumé ..................................................................................................................................... 5
Agradecimentos ....................................................................................................................... 6
Notações e Unidades ................................................................................................................ 7
Índice do Trabalho ................................................................................................................... 9
Índice de Figuras .................................................................................................................... 13
Índice de Tabelas ................................................................................................................... 17
Capítulo 1 – Introdução ....................................................................................................... 18
1.1 Enquadramento do trabalho ..................................................................................... 18
1.2 Objectivos do trabalho ............................................................................................. 19
1.3 Motivação ................................................................................................................ 19
1.4 Metodologia, organização e estrutura do texto ........................................................ 20
Capítulo 2 – A questão energética associada aos edifícios ............................................... 22
2.1 Construção sustentável ............................................................................................ 22
2.2 O comportamento energético dos edifícios ............................................................. 24
2.3 Factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios ................................ 27
2.4 Arquitectura bioclimática – conceitos para um edifício sustentável ....................... 31
2.4.1 Soluções para arrefecimento no Verão ........................................................... 32
2.4.1.1 Protecção da radiação ......................................................................... 32
2.4.2.2 Sistemas de arrefecimento evaporativo .............................................. 35
2.4.1.3 Ventilação .......................................................................................... 36
2.4.2.4 Iluminação .......................................................................................... 39
2.4.2 Soluções para aquecimento no Inverno .......................................................... 41
2.4.2.1 Captação solar .................................................................................... 41
2.4.3 Incentivos à aplicação do conceito ................................................................. 43
2.4.3.1 Casos concretos de aplicação ............................................................. 44
2.5 Enquadramento legal enquanto suporte do conceito ............................................... 46
2.5.1 Directivas, normas e regulamentos ligados ao comportamento térmico dos
edifícios em Portugal ...................................................................................... 48
9
2.5.1.1 Âmbito de aplicação dos regulamentos RCCTE e RSECE ............... 50
2.5.1.2 Regulamento de características de comportamento térmico de edifícios
(RCCTE) ........................................................................................................ 51
2.5.1.3 Regulamento dos sistemas energéticos de climatização em edifícios
(RSECE) ......................................................................................................... 52
2.6 Ferramentas para avaliação do comportamento térmico dos edifícios .................... 53
Capítulo 3 – Metodologia .................................................................................................... 55
3.1 Introdução ................................................................................................................ 55
3.2 Balanço energético de um espaço ............................................................................ 55
3.2.1 Introdução ....................................................................................................... 55
3.2.2 Solicitações exteriores .................................................................................... 57
3.2.3 Perdas pela envolvente opaca ......................................................................... 57
3.2.4 Perdas por infiltração ...................................................................................... 58
3.2.5 Ganhos solares ................................................................................................ 59
3.2.6 Capacidade térmica efectiva de um compartimento ....................................... 60
3.3 Quantificação da capacidade de armazenamento térmico de elementos
construtivos .............................................................................................................. 61
3.3.1 Método de cálculo da quantidade de calor armazenado diariamente ............. 62
3.3.2 Solicitações exteriores .................................................................................... 63
3.3.3 Calor armazenado em vários elementos ......................................................... 64
3.4 Método de cálculo da temperatura ambiente interior .............................................. 66
3.5 Desenvolvimento do modelo de cálculo .................................................................. 67
3.5.1 Geometria solar .............................................................................................. 68
3.5.1.1 Pavimento ........................................................................................... 70
3.5.1.1 Paredes laterais ................................................................................... 71
3.5.1.1 Parede do fundo ................................................................................. 72
3.6 Modelação dos elementos da envolvente ................................................................. 73
3.6.1 Dados gerais do programa .............................................................................. 74
3.6.2 Elementos de parede ....................................................................................... 74
3.6.3 Elementos de cobertura .................................................................................. 75
3.6.4 Elementos de pavimento ................................................................................ 76
3.6.5 Elementos de envidraçado .............................................................................. 77
3.6.5.1 Factor solar do vão envidraçado ........................................................ 77
10
3.7.5.2 Factor de sombreamento (fs) .............................................................. 78
Capítulo 4 – Implementação do modelo num programa de cálculo automático ............ 79
4.1 Caracterização geral ................................................................................................. 79
4.2 Utilizando o programa ............................................................................................. 79
4.2.1 Como iniciar um trabalho ............................................................................... 80
4.2.2 Caracterização da envolvente ......................................................................... 82
4.2.2.1 Definição de elementos de parede ..................................................... 83
4.2.2.2 Definição de elementos de cobertura ................................................. 86
4.2.2.3 Definição de elementos de pavimento ............................................... 88
4.2.2.4 Definição de elementos de envidraçados ........................................... 91
4.2.3 Carregamento do ficheiro climático ............................................................... 93
4.2.4 Executando o cálculo ...................................................................................... 97
4.2.5 Trabalhar com os comandos dos menus ....................................................... 100
4.2.5.1 Comando “adicionar” ....................................................................... 100
4.2.5.2 Comando “editar” ............................................................................ 101
4.2.5.3 Comando “eliminar” ........................................................................ 101
4.2.5.4 Comando “duplicar” ........................................................................ 102
4.2.5.5 Comando “sair” ................................................................................ 102
4.2.5.6 Comando “ajuda” ............................................................................. 103
4.2.6 Como utilizar o comando de “Ajuda” .......................................................... 103
4.2.6.1 Como utilizar .................................................................................... 104
4.2.6.2 Índice remissivo ............................................................................... 104
4.2.6.3 Palavra-chave ................................................................................... 106
4.2.6.4 Aspecto final da ajuda disponibilizada ............................................ 107
4.2.7 Ficheiros gerados pelo programa ................................................................. 109
4.2.7.1 Ficheiro de dados ............................................................................. 109
4.2.7.2 Ficheiro de resultados ...................................................................... 110
Capítulo 5 – Aplicação do programa a um caso prático ................................................ 111
5.1 Introdução .............................................................................................................. 111
5.2 A célula de teste ..................................................................................................... 111
5.3 Recolha de dados ................................................................................................... 115
5.4 Validação do modelo matemático desenvolvido ................................................... 115
11
Capítulo 6 – Conclusões ..................................................................................................... 119
6.1 Conclusões gerais .................................................................................................. 119
6.2 Perspectivas de trabalho futuro .............................................................................. 121
Referências bibliográficas ................................................................................................. 122
Bibliografia ......................................................................................................................... 126
Anexo A – Calor armazenado por elementos construtivos típicos dos edifícios de Portugal,
em função da amplitude térmica e da energia solar incidente ............................ 134
Tabela A1.1 Paredes interiores ................................................................................... 135
Tabela A1.2 Lajes interiores ....................................................................................... 136
Tabela A1.3 Lajes de pavimento sobre espaços interiores não aquecidos ................. 138
Tabela A1.4 Lajes de cobertura sob espaços interiores não aquecidos ...................... 140
Tabela A1.5 Pano interior de parede dupla ................................................................. 144
Tabela A1.6 Paredes exteriores simples, isoladas pelo exterior ................................. 145
12
Índice de Figuras
Figura 2.1
Ciclo da vida ................................................................................................... 22
Figura 2.2
Influência da zona climática de implantação dos edifícios nas suas
necessidades energéticas, em função do nível de isolamento ........................ 27
Figura 2.3
Influência da forma nas necessidades energéticas em função da orientação . 28
Figura 2.4
Influência do tipo de inércia em função do nível de isolamento dos
elementos ........................................................................................................ 29
Figura 2.5
Exemplo de um programa de modelação que permite calcular as pontes
térmicas .......................................................................................................... 30
Figura 2.6
Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de parede, em função do
isolamento ...................................................................................................... 31
Figura 2.7
Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de envidraçado, em
função do tipo de caixilharia .......................................................................... 31
Figura 2.8
Exemplo de palas fixas numa situação de Inverno (à esquerda) e Verão (à
direita) ............................................................................................................ 33
Figura 2.9
Influência do ângulo de incidência da radiação na sua penetração. Inverno (em
cima), Verão (em baixo) ................................................................................. 33
Figura 2.10
Exemplo de sombreamento natural ................................................................ 34
Figura 2.11
Exemplo de sombreamento com uma árvore de folha de caduca no Inverno (à
esquerda) e no Verão (à direita) ..................................................................... 35
Figura 2.12
Exemplo de sombreamento com uma trepadeira ........................................... 35
Figura 2.13
Exemplo de um sistema “roof spraying” ....................................................... 36
Figura 2.14
Óculo circular destinado à ventilação da sala ................................................ 36
Figura 2.15
Pormenor do funcionamento da chaminé solar .............................................. 37
Figura 2.16
Esquema de funcionamento de um sistema de arrefecimento/ventilação durante
um dia de Verão ............................................................................................. 38
Figura 2.17
Plano do piso térreo da “Casa Solar de Porto Santo” em Porto Santo ........... 38
Figura 2.18
Edifício com elevada área envidraçada .......................................................... 39
Figura 2.19
Exemplos de mecanismos de captação solar .................................................. 41
Figura 2.20
Exemplo de uma parede de captação solar ..................................................... 42
Figura 2.21
Casa Schäfer, Porto Santo. Fotografia do aspecto exterior de uma parede de
Trombe; esquema do seu funcionamento consoante as estações do ano ....... 43
Figura 2.22
Edifício “The Foyer” ...................................................................................... 45
13
Figura 2.23
Edifício “Torre Verde” ................................................................................... 46
Figura 3.1
Esquema do compartimento simulado ........................................................... 56
Figura 3.2
Balanço energético do espaço em estudo ....................................................... 56
Figura 3.3
Equação do tempo .......................................................................................... 69
Figura 3.4
Área do pavimento atingida pela radiação solar ............................................ 70
Figura 3.5
Radiação solar que entra no compartimento .................................................. 71
Figura 3.6
Área da parede lateral que recebe radiação solar ........................................... 72
Figura 3.7
Área da parede de fundo que recebe radiação solar ....................................... 73
Figura 4.1
Organograma do programa ............................................................................. 80
Figura 4.2
Janela de entrada do programa ....................................................................... 80
Figura 4.3
Menu “Projecto” de entrada do programa ..................................................... 81
Figura 4.4
Janela de definição de dados gerais do projecto ............................................. 81
Figura 4.5
Menu “Dados” ................................................................................................ 82
Figura 4.6
Janela referente a “Dados de Paredes” .......................................................... 83
Figura 4.7
Janela de alerta para introdução de paredes ................................................... 84
Figura 4.8
Janela para definição de elemento de parede ................................................. 84
Figura 4.9
Mensagem de alerta de limite máximo de elementos ..................................... 85
Figura 4.10
Janela de “Dados de Paredes” com um elemento definido ........................... 85
Figura 4.11
Janela de “Dados de Paredes” completamente definida ................................ 86
Figura 4.12
Janela referente a “Dados de Coberturas” ..................................................... 86
Figura 4.13
Janela para definição de elemento de cobertura ............................................. 87
Figura 4.14
Mensagem de alerta de limite máximo de elementos...................................... 88
Figura 4.15
Janela de “Dados de Coberturas” com um elemento definido ....................... 88
Figura 4.16
Janela referente a “Dados de Pavimentos” ..................................................... 89
Figura 4.17
Janela para definição de elemento de pavimento ........................................... 89
Figura 4.18
Figura 4.19
Janela de “Dados de Pavimentos” com um elemento definido ...................... 90
Figura 4.20
Janela referente a “Dados de Envidraçados” ................................................. 91
Figura 4.21
Janela para definição de elemento de envidraçado ........................................ 92
Figura 4.22
Figura 4.23
Janela de “Dados de Envidraçados” com um elemento definido .................. 93
Figura 4.24
Introdução de ficheiro de dados de elementos climáticos .............................. 94
14
Figura 4.25
Dados de elementos climáticos por introdução de valores ............................. 95
Figura 4.26
Dados de elementos climáticos por introdução de valores – Radiação .......... 95
Figura 4.27
Dados de elementos climáticos por introdução de valores – Temperatura .... 95
Figura 4.28
Dados de elementos climáticos por leitura de ficheiro ................................... 96
Figura 4.29
Mensagem de falta de carregamento do ficheiro climático ............................ 97
Figura 4.30
Menu de gráficos gerados pelo programa ...................................................... 98
Figura 4.31
Gráfico Temperatura – Tempo gerado pelo programa ................................... 98
Figura 4.32
Gráfico Amplitude Térmica – Tempo gerado pelo programa ......................... 99
Figura 4.33
Gráfico Ceff – Tempo gerado pelo programa ................................................. 99
Figura 4.34
Gráfico Ceff – Amplitude Térmica gerado pelo programa ........................... 100
Figura 4.35
Comando adicionar elementos ..................................................................... 100
Figura 4.36
Comando editar elementos ........................................................................... 101
Figura 4.37
Janela de definição de elemento a editar ...................................................... 101
Figura 4.38
Comando eliminar elementos ....................................................................... 101
Figura 4.39
Janela de definição de elemento a eliminar .................................................. 102
Figura 4.40
Comando duplicar elementos ....................................................................... 102
Figura 4.41
Janela de definição de elemento a duplicar .................................................. 102
Figura 4.42
Comando sair ............................................................................................... 102
Figura 4.43
Comando ajuda ............................................................................................ 103
Figura 4.44
Aceder aos menus de “Ajuda” ..................................................................... 103
Figura 4.45
Como utilizar a ajuda ................................................................................... 104
Figura 4.46
Menu do índice remissivo ............................................................................ 105
Figura 4.47
Menu do índice ............................................................................................. 106
Figura 4.48
Menu de ajuda por palavra-chave ................................................................ 107
Figura 4.49
Ajuda referente a elemento de cobertura ...................................................... 108
Figura 4.50
Ficheiro de dados .......................................................................................... 109
Figura 4.51
Ficheiro de resultados ................................................................................... 110
Figura 5.1
A célula de teste estudada – CAT1 ............................................................... 112
Figura 5.2
Planta, alçados e corte do CAT1 .................................................................. 112
Figura 5.3
Elementos da envolvente .............................................................................. 114
Figura 5.4
Gráfico comparativo entre os valores da temperatura medida e simulada na
CAT1 ............................................................................................................ 116
Figura 5.5
Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (horas) ....................... 117
15
Figura 5.6
Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (dias) ......................... 117
Figura 5.7
Variação do Ceff com a amplitude térmica .................................................. 117
Figura 5.8
Capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior ..................... 118
Figura 5.9
Capacidade térmica efectiva e radiação solar exterior ................................. 118
16
Índice de Tabelas
Tabela 2.1
Valores do consumo de energia para um edifício de qualidade mínima ........ 26
Tabela 2.2
Âmbito da aplicação nos edifícios de habitação ............................................ 50
Tabela 2.3
Âmbito da aplicação nos edifícios de serviços ............................................... 51
Tabela 5.1
Coordenadas da CAT1 ................................................................................. 111
Tabela 5.2
Dimensões da CAT1 .................................................................................... 111
Tabela 5.3
Propriedades térmicas dos materiais constituintes da envolvente ................ 113
Tabela 5.4
Coeficientes de convecção, emissividade e coeficiente de absorção dos
materiais da envolvente ................................................................................ 114
Tabela 5.5
Coeficientes U dos elementos ...................................................................... 114
Tabela 5.6
Espessura e coeficiente U do vidro .............................................................. 115
17
CAPÍTULO 1
Introdução
1.1 Enquadramento do trabalho
Desde sensivelmente meados da década de 90 do século XX, os computadores passaram a
fazer parte da rotina diária de todos aqueles, que de uma forma ou outra, desenvolvem a sua
vida pessoal e profissional utilizando as suas infindáveis potencialidades. Pode-se afirmar,
sem incorrer em qualquer erro, que nos dias de hoje, nenhuma área de investigação ou de
desenvolvimento tecnológico prescinde da utilização, nas suas diversas vertentes, de
computadores ou dos seus componentes associados, independentemente da área de aplicação
ou dos propósitos e objectivos a alcançar.
Mais concretamente na área da Física das Construções, a sua aplicação veio trazer outras
formas de encarar problemas, até então de difícil resolução, que exigiam modelos teóricos
com grandes dificuldades associadas ao seu cálculo e assim ao seu desenvolvimento e
aplicabilidade. É de referir que o trabalho agora proposto surge como a continuação, ou
evolução, de um outro trabalho [1] desenvolvido em finais dos anos 80 e estruturado em
linguagem de programação Fortran, e que apresentava a simulação da evolução da
temperatura interior de um dado espaço nas mesmas condições das agora propostas. Este
trabalho surge deste modo como uma evolução, baseado num modelo teórico [2] já testado,
tendo como contexto o desenvolvimento dos sistemas operativos e das plataformas de
programação, tendo como finalidade contribuir para o aparecimento de um método de cálculo
mais simplificado e funcional ao nível do utilizador e, sobretudo, mais consentâneo com a
aplicabilidade requerida aos elementos em análise. Foi, dentro desta tendência de evolução,
que o mpcte foi desenvolvido, adaptado a sistemas informáticos de uso generalizado onde a
interacção entre o utilizador e o programa assume novas formas em termos gráficos e
constituindo-se como uma ferramenta de análise qualitativa deveras importante na realidade e
contexto actual da análise térmica de edifícios. Para tal foi estruturado recorrendo à
linguagem de programação Visual Basic 6.0, o que permitiu acentuar a sua capacidade gráfica
sem prejuízo do poder de cálculo necessário. Em termos práticos a utilização deste software
não necessita de grandes conhecimentos teóricos para desenvolver acções que conduzam a
uma análise rápida e concisa das condições existentes no modelo em estudo, pelo que se torna
numa ferramenta de fácil acesso com a vantagem de ser utilizado em qualquer PC de uso
generalizado. Recomenda-se como configuração mínima a utilização de um processador
capítulo 1 introdução
18
Pentium II 250Mhz com 64 MB de memória RAM e uma resolução gráfica de 1024×768, sob
sistema operativo Windows (98, 2000, NT, xp).
1.2 Objectivos do trabalho
Até há pouco tempo, a pouca importância atribuída ao estudo térmico dos edifícios, sob o
ponto de vista da concepção de espaços e dos diferentes sistemas construtivos,
comparativamente com as restantes especialidades envolvidas, constituía a maior dificuldade
na obtenção de modelos específicos de análise e desenvolvimento de espaços termicamente
confortáveis sob o ponto de vista de projecto. A comparação e interligação dos diversos
componentes da envolvente, quer sob o ponto de vista do ambiente físico quer sob o ponto de
vista constitutivo dos diversos elementos, revela-se fundamental para conhecermos a
capacidade intrínseca de um dado espaço em fornecer o grau de conforto requerido. Neste
caso, o estudo dos mecanismos de transferência de calor entre a envolvente e o exterior, bem
como a capacidade dos diversos materiais em interagir com as necessidades específicas de
cada caso em concreto, revela-se fundamental. A falta de um programa de fácil utilização que
permitisse um estudo efectivo e concreto de cada caso foi um passo importante no sentido do
aparecimento do mpcte. O desenvolvimento desta nova aplicação de simulação pretende
oferecer a possibilidade de um estudo sistemático, numérico e conclusivo quer em termos de
análise em fase de projecto quer em termos de estudo de espaços durante a utilização em vida
útil de forma a introduzir, se for o caso, as necessárias medidas correctivas.
1.3 Motivação
Para quem lida com a indústria da construção no seu dia a dia, quer a nível de projecto quer a
nível construtivo, sabe que os problemas associados à falta de condições térmicas de conforto
nos espaços podem revelar-se mais cedo ou mais tarde interligados com outro tipo de
patologias degenerativas da construção. Neste caso uma avaliação da qualidade global da
construção engloba necessariamente uma análise térmica coerente com os restantes
elementos. Deste modo, um estudo mais aprofundado e sistemático deste problema poderá, e
deverá, traduzir-se num aumento da qualidade efectiva das construções.
Deve ser reconhecido que a investigação que é desenvolvida em diversos campos e diversas
áreas do conhecimento, não tem tradução directa na sua aplicabilidade prática, ou quando
existe, processa-se com um desfasamento considerável. No caso concreto da indústria da
construção, o mesmo se passa. Isto sucede devido a muitas e variadas razões, que não importa
aqui apontar, mas também pelo facto da transição entre a investigação para a concretização e
19
desenvolvimento dos modelos não ser a mais eficiente. O presente trabalho pretende efectuar
essa ponte, de modo a disponibilizar uma ferramenta de investigação e análise simplificada e
que possa ser disponibilizada sempre que se verifique necessário, sobretudo aos projectistas e
técnicos responsáveis pela avaliação térmica associada à qualidade ambiental. O facto de se
poder simular, ainda que de forma parcial, o comportamento de um dado espaço sob o ponto
de vista de uma análise evolutiva das temperaturas interiores e da capacidade térmica efectiva
da envolvente ao longo de um dado período, poderá permitir uma escolha de soluções
construtivas e constitutivas de forma mais consciente e informada, com ganhos evidentes na
qualidade final do conjunto.
Apesar dos países do Norte da Europa há muito valorizarem as questões relacionadas com o
conforto térmico e a escolha das melhores opções construtivas como garante dessa qualidade,
os países do Sul só mais recentemente acordaram para uma realidade que se encontra à vista
de todos e que diz respeito às despesas relacionadas com os gastos energéticos quer em
arrefecimento quer em aquecimento dos espaços.
1.4 Metodologia, organização e estrutura do texto
O trabalho apresentado foi orientado através da definição de um modelo contextualizado para
a linguagem de programação Visual Basic 6.0, o qual foi estruturado da seguinte forma:
Capítulo 1: apresenta um resumo do trabalho onde se indicam os objectivos, a metodologia
utilizada bem como a motivação e a forma como o trabalho foi organizado.
Capítulo 2: capítulo onde está incluído o enquadramento do trabalho. Apresenta a perspectiva
global que serviu de base ao trabalho assim como o conjunto de factos que permitiram o
desenvolvimento do modelo no contexto actual da análise térmica dos edifícios.
Capítulo 3: apresenta o modelo teórico em que se baseou o trabalho, tal como a perspectiva
matemática aplicada ao modelo utilizado.
Capítulo 4: mostra a aplicação do modelo num programa de cálculo automático, onde são
apresentados os elementos relativos à validação do programa. Esclarecem-se aspectos
referentes à concepção e estrutura do programa mpcte, ao nível dos módulos, funções de
cálculo e de interface gráfica e onde se procede também à descrição do funcionamento do
programa, com a definição detalhada dos elementos necessários, com indicações das várias
opções disponíveis, do modo de funcionamento, bem como da forma de apresentação dos
resultados.
Capítulo 5: é apresentada a validação experimental do programa, por comparação com
resultados numéricos retirados da análise concreta de um espaço. São estabelecidas também
20
as várias condições iniciais, e são apresentados os resultados e as bases de comparação. Em
termos de apresentação e análise serão sempre apresentados os gráficos representativos de
cada caso e em cada situação para uma melhor e mais rápida apreensão pelo utilizador. Nos
estudos de comparação serão efectuadas análises relativas aos erros e desvios verificados
relativamente às condições padrão e representativas da realidade do caso, para comprovação
do rigor e desempenho do programa.
Capítulo 6: neste capítulo são apresentadas as conclusões gerais bem como as perspectivas de
trabalho futuro, no que respeita ao desenvolvimento do programa.
Referências bibliográficas que serviram de base à elaboração do trabalho.
Bibliografia consultada durante a elaboração do trabalho.
No Anexo A foram colocadas as tabelas referentes à base de dados relativa ao calor
armazenado por elementos construtivos típicos dos edifícios de Portugal, em função da
amplitude térmica e da energia solar incidente.
O Anexo B, devido à sua grande dimensão, foi colocado em CD. Neste anexo está colocada a
listagem dos ficheiros de dados, de resultados, e dos códigos do programa bem como um
manual de utilização do programa onde se inclui tudo sobre o funcionamento do mesmo à
semelhança do descrito no capítulo 4. Neste CD será também disponibilizado o Setup
executável para instalação do programa e do respectivo manual de utilização, assim como os
ficheiros referentes ao compartimento estudado (CAT1).
21
CAPÍTULO 2
A questão energética associada aos edifícios
2.1 Construção sustentável
Segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), a população mundial será de 8,5 milhares
de milhões de habitantes em 2025 e atingirá os 10,2 milhares de milhões em 2100 [3] sendo
que os maiores aumentos de população serão nos países menos favorecidos. A par desta
evolução demográfica, está também uma forte urbanização, bastião do desenvolvimento
económico e social. Estes factores exercem uma enorme pressão no meio ambiente, visto
esgotarem os recursos e aumentarem os resíduos, o que provoca a sobrecarga do biociclo
natural e levando à inevitável poluição (Figura 2.1). Este é, infelizmente, um dos problemas
com que a humanidade se tem vindo a debater nas últimas décadas, e é claro, que é hoje,
muito mais relevante que há alguns séculos atrás, em que a população não ultrapassava os 5 a
10 milhões de habitantes [3]. Torna-se então premente, conseguir que o ciclo natural na
origem da vida seja preservado.
Figura 2.1 – Ciclo da vida [3]
Desta forma, têm sido seguidas duas estratégias: melhorar os passos limitantes do ciclo e
economizar os recursos. A primeira estratégia envolve políticas de reciclagem, de tratamento
de resíduos e eventualmente, num estado já de poluição severa, de remediação. A segunda
estratégia envolve o aumento da eficiência dos processos utilizados, para que, o consumo de
recursos seja minimizado. Importa realçar que esta abordagem traz importantes benefícios
económicos.
capítulo 2 a questão energética associada aos edifícios
22
A aplicação desta estratégia tem sido possível com o aperfeiçoamento tecnológico, sendo
exemplo disto, as importantes reestruturações de que foi, e tem sido alvo, a indústria a partir
dos anos 80, e que permitiu diminuir o consumo de energia, de um rácio de 40% do total
consumido na UE nos anos 80, para apenas 28% do total da energia consumida actualmente
[3]. É também vital a sensibilização dos cidadãos para esta problemática, contribuindo com
isso para desmistificar a ideia de que o bem-estar está relacionado com o esbanjamento de
recursos.
Na área da construção, o fascínio pela técnica e a inconsciência da esgotabilidade dos
recursos, conduziram a que, as boas práticas ancestrais fossem sendo esquecidas, talvez por se
pensar que a tecnologia poderia resolver todos os problemas. Entrou-se então numa época, em
que, grande parte dos princípios básicos de construção, foram sendo substituídos por
interesses económicos ou estéticos, e onde foi necessário, para suplantar o desconforto
causado, introduzir soluções tecnológicas, tais como sistemas de iluminação e climatização
artificiais. Isto levou a que, os consumos energéticos dos edifícios, sobretudo em energia
eléctrica, aumentassem de forma exagerada, consumos totalmente desnecessários que
poderiam ser diminuídos ou mesmo eliminados seguindo outras vias. Ora esta realidade, só
começou a ser um problema, quando se começou a falar não só da escassez de combustíveis
fósseis, mas também do aquecimento global, provocado em grande parte pela emissão de
gases de efeito de estufa como o CO2. As emissões em massa deste gás, resultantes
essencialmente da queima de combustíveis fósseis, quer nas centrais termoeléctricas para
produção de energia eléctrica, quer nos meios de transporte, são uma carga para o ciclo do
carbono. Como consequência o CO2 acumula-se na atmosfera, contribuindo assim para a
retenção da radiação solar na Terra e consequentemente para o seu aquecimento global. Por
este motivo, e desde que se tomou consciência deste problema, esforços têm sido feitos para
diminuir este tipo de emissões, nomeadamente através do protocolo de Quioto, quer no sector
dos transportes, quer no sector da indústria bem como no dos edifícios!
Cerca de 50% dos recursos materiais retirados da natureza e 50% dos resíduos produzidos
em cada país, estão relacionados com o sector da construção [3]. Em paralelo, cerca de 40%
do consumo de energia na Europa está relacionado com os gastos em edifícios [3]. Por estes
motivos, e por existirem soluções que minimizam estes desperdícios, o sector da construção
tem potencial para evoluir no sentido de adoptar e favorecer medidas que minimizem os
gastos energéticos e os impactos ambientais no meio ambiente de forma a promover um
23
urbanismo sustentável.
Quando, no início dos anos oitenta, se começou a introduzir o vidro duplo em Portugal,
verificou-se a existência de alguma resistência, por parte de alguns sectores, a esse
lançamento. Hoje o vidro duplo é um material usado de forma generalizada, como acontece
também com o isolamento térmico, que era praticamente inexistente até então na construção
do século XX. Mas o uso de novos materiais e tecnologias não basta. Alias, há hoje materiais
e tecnologias no mercado, cujo uso, sem um juízo acerca do seu comportamento térmico em
obra, conduz geralmente a erros graves. Faltam duas coisas: (sempre) cultura tecnológica,
nomeadamente dos profissionais que lidam com os produtos tecnológicos, e uma prática
regulamentar que oriente e discipline a actividade da construção, certamente a mais autóctone
das actividades industriais [4].
Um edifício pode ser considerado como verdadeiramente funcional quando a sua construção
se interliga com uma aproximação sensível e consciente às questões energéticas, assim como
a variadas outras situações (qualidade de vida, saúde, aspectos sociais, etc). É necessário por
isso, a criação de novas soluções arquitectónicas e de ferramentas técnicas que ofereçam
resposta a todo este conjunto de especificações.
Uma “boa arquitectura” tem de preencher necessariamente muitos requisitos, e uma
aproximação sensível e consciente às questões energéticas é seguramente uma delas. Alguns
edifícios, no entanto, assemelham-se mais a “máquinas energéticas” que a propriamente
edifícios, uma vez que o objectivo da poupança de energia é muitas vezes negligenciado.
“Forma, Função e Construção” – Estes são os três critérios regulares utilizados para avaliar a
qualidade arquitectónica de um edifício. Não existe a necessidade da criação de um outro
critério intitulado “Consumo de Energia” uma vez que este se encontra incorporado no
critério “Função”. Os edifícios que apresentam deficiências no relacionamento com questões
de consumo de energia, possuem invariavelmente falta de funcionalidade, sendo incapazes de
responder favoravelmente às necessidades dos seus ocupantes.
A cada dia, os novos edifícios estão a tornar-se elementos cada vez mais complexos, devido
ao aumento generalizado de novos materiais, tecnologias e métodos de construção. A
quantidade de substâncias e materiais utilizados na indústria da construção tem aumentado de
forma exponencial no último século, sendo que a arquitectura tem procurado constantemente
a aplicação prática das inovações na concretização de novos projectos de edifícios. Nascem
por isso diariamente, numerosos desafios relacionados com esta nova complexidade e
diversidade. Para cada era arquitectónica pode ser observado uma relevância que, no actual
24
momento, se centra na questão do desenvolvimento sustentado. Esta procura verifica-se para
soluções sistemáticas o que muitas vezes conduz a conflitos na realização de programas
concretos de desenvolvimento. Todo o conceito de sustentabilidade requer uma aproximação
sistemática e metódica.
Os pré-requisitos básicos para os edifícios sustentáveis são um longo período de ocupação e
um prolongado uso de todos os sistemas associados. É o caso, por exemplo, da comparação
entre passar o máximo de tempo de ocupação possível numa habitação em que o seu
funcionamento requer baixos níveis de energia, assim como baixos custos de manutenção, e
alguns edifícios, com baixos índices de conforto térmico, e que necessitam de uma renovação
total do seu conceito funcional. Um edifício sustentável deverá ter uma capacidade funcional
de pelo menos um século [5].
Em termos de síntese refira-se que, a sustentabilidade na construção passa por três medidas
essenciais: em primeiro lugar, a melhoria dos projectos em termos de eficiência energética,
diminuindo as suas necessidades em iluminação, ventilação e climatização artificiais; em
segundo lugar, a substituição do consumo de energia convencional por energia renovável, não
poluente e gratuita; e finalmente, em terceiro lugar, a utilização de materiais locais,
preferencialmente materiais de fontes renováveis ou com possibilidade de reutilização e que
minimizem o impacto ambiental (extracção, gastos de energia, consumo de água na sua
extracção, aspectos de saúde, emissões poluentes etc.). É também de notar, que a construção
sustentável pode ainda adoptar outras medidas, como sistemas de tratamento de resíduos
orgânicos, sistemas de reaproveitamento de água e outros que não vão ser abordados por não
estarem no âmbito deste trabalho.
2.2 O comportamento energético dos edifícios
O trabalho desenvolvido tem como linha de orientação os aspectos relacionados com o
comportamento energético dos edifícios nas suas diversas vertentes. A União Europeia, no
seu Plano de Acção para as questões energéticas [6], considera de fundamental relevância a
vertente da poupança de energia em edifícios, sublinhando que o potencial nesta área é
enorme. De facto, a indústria da construção, indica estimativas de poupança na ordem dos
10% a 25% em edifícios antigos, através da implementação de medidas como o isolamento
térmico melhorado, sistemas de revestimento, de iluminação e de controlo mais eficientes [7].
O potencial é consideravelmente superior para os edifícios novos.
25
Em termos de energia, o consumo no sector dos edifícios representa 22% da energia final
consumida em Portugal [7]. Apesar de longe dos 40% da média comunitária, este consumo
tem aumentado de forma preocupante a uma taxa de 7.5% ao ano [7], tendo na última década
o consumo de energia nos edifícios aumentado 30% [7]. Este número corresponde a um
consumo de energia (e consequente emissão de CO2) equivalente a 3.5 milhões de toneladas
de petróleo [7]. O comportamento energético dos edifícios urbanos torna-se, deste modo, um
alvo de análise e de intervenção prioritário.
Neste momento, os gastos com energia superam largamente a energia poupada nos edifícios
existentes, onde as despesas com a produção de energia e manutenção são maiores do que
toda a poupança efectuada ao longo do período de ocupação [5].
A título de exemplo, mostra-se na tabela 2.1 os consumos energéticos médios de dois tipos
comuns de unidades residenciais portuguesas: um apartamento e uma moradia [8].
Através da análise dos valores tabelados, verifica-se que os consumos energéticos são
substancialmente elevados, principalmente no que se refere à estação de aquecimento. De
referir que os consumos na estação de arrefecimento, apesar de baixos em valor absoluto, são
também exagerados dado que o clima português não exige, na maior parte das situações,
qualquer sistema para assegurar as necessárias condições de conforto estival.
A análise dos valores tabelados permite concluir que existe um elevado potencial de redução
de consumos energéticos nos edifícios portugueses.
Tabela 2.1 – Valores do consumo de energia para um edifício de qualidade mínima
Zona Climática
Inverno
I1
I2
I3
Verão
V1
V2
V3
Consumo de energia (kWh/m2 ano)
Apartamento (100m2)
Moradia (210m2)
Aquecimento
40
55
70
90
125
160
Arrefecimento
10
15
15
20
20
30
Para reduzir os consumos energéticos nos edifícios pode-se intervir a vários níveis, pois são
vários os factores que interferem no seu comportamento térmico como brevemente se referem
no ponto seguinte.
26
2.3 Factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios
De entre os diversos factores que afectam o comportamento térmico dos edifícios, destacamse sobretudo os relacionados com a localização, orientação e os materiais utilizados na
definição da envolvente. A figura 2.2 além de mostrar a discrepância entre as necessidades de
aquecimento para cada uma das zonas climáticas, realça a importância da escolha da zona em
detrimento do nível ou espessura de isolamento que se possa incluir na habitação. Verifica-se
perfeitamente, que a partir de determinado ponto, o aumento da espessura do isolamento não
tem tradução directa na diminuição dos gastos com o aquecimento.
Figura 2.2 – Influência da zona climática de implantação dos edifícios nas suas necessidades
energéticas, em função do nível de isolamento [8]
Quanto à orientação do edifício, o mais importante a ter em conta é a exposição solar.
Normalmente é importante ter um edifício com a maior fachada voltada a Sul para receber o
máximo de energia possível, tendo no entanto sombreamentos programados para o Verão. A
orientação do edifício deve também contar com os ventos dominantes e a sua influência na
ventilação natural e infiltrações.
Existem ainda outras particularidades interessantes, tal como a orientação das diferentes
divisões de uma casa de forma a proporcionar o ambiente mais adequada à sua função. Por
exemplo, a biblioteca deve estar orientada com uma forte componente Norte, visto ser um
local em que habitualmente se pretende uma atmosfera fresca e seca, enquanto que a cozinha
deve estar orientada com uma forte componente Sul, visto ser esse um local onde uma
temperatura elevada é mais habitual.
27
Através da análise da figura 2.3 constata-se que as necessidades de arrefecimento e sobretudo
de aquecimento advêm especialmente da escolha da orientação do edifício. Esta figura mostra
que um edifício com a maior fachada orientada a nascente/poente apresenta mais do dobro das
necessidades energéticas do mesmo edifício com uma orientação Norte/Sul. Para além disso,
é também evidente que, mais de 80% das necessidades energéticas do edifício são
necessidades de aquecimento.
Figura 2.3 – Influência da forma nas necessidades energéticas em função da orientação [8]
A presença ou não de massa de armazenamento térmico é outro factor a ter em conta. De
facto, a massa térmica é responsável pelo atraso entre o fornecimento de calor e o aumento da
temperatura no interior do edifício. Este fenómeno pode ser explorado a diferentes níveis,
nomeadamente em associação com um correcto isolamento térmico e ventilação. Numa base
diária, durante o Inverno, uma massa térmica estudada leva a que a energia recebida durante o
dia se manifeste no interior durante a noite. No Verão a função é idêntica mas o calor pode ser
libertado durante a noite para o exterior usando ventilação.
Também é possível este funcionamento em escalas de tempo mais elevadas, mas apenas
massas térmicas enormes seriam capazes de tal proeza.
Generalizando, materiais de construção com massas elevadas comportam-se como massas
térmicas eficazes.
Em Portugal, este é um factor essencial, visto que o maior problema de climas quentes é o
calor. Consequentemente, uma das preocupações ao construir edifícios, é prever mecanismos
que consigam evitar a entrada excessiva de calor e que consigam dissipar o calor que entra.
Como tal, uma massa térmica elevada, associada a isolamento (preferencialmente externo)
28
deve ser uma estratégia na construção em Portugal para preservar uma temperatura fresca
durante o dia e apenas permitir libertação de calor à noite, altura em que se pode utilizar a
ventilação nocturna para dissipar esse calor. Esta ventilação nocturna pode ser assegurada por
diversos mecanismos sofisticados mas funciona também a partir de uma das técnicas mais
antigas e conhecidas: o abrir das janelas durante a noite!
Através da análise da figura 2.4 pode-se verificar que quanto maior for a inércia menor são as
necessidades requeridas para aquecimento. De facto, observa-se que, mesmo para um baixo
nível de isolamento, se consegue, através de uma inércia forte, uma maior redução das
necessidades energéticas de aquecimento em contraponto com uma fraca inércia mesmo que
inerente a um elevado nível de isolamento dos elementos.
Figura 2.4 – Influência do tipo de inércia em função do nível de isolamento dos elementos [8]
Quanto ao isolamento, este previne a transferência de calor por condução entre o interior e o
exterior do edifício. Esta razão faz do isolamento uma característica essencial tanto no Verão
como no Inverno. Por exemplo, é corrente na indústria de construção que, as pontes térmicas,
devem ser evitadas tanto quanto possível, visto que podem constituir a fonte de até 30% das
perdas de calor do edifício [3] (Figura 2.5). A preocupação com o isolamento deve ser
considerada tanto a nível das superfícies opacas, como também a nível das áreas
envidraçadas, visto ser esse um dos principais pontos de absorção e perda de radiação solar,
tanto no Verão como no Inverno.
29
Figura 2.5 – Exemplo de um programa de modelação que permite calcular as pontes térmicas [3]
Em termos de reabilitação urbana, é possível, e bastante exequível, embora com alguns
custos, a reabilitação de um edifício em termos de isolamento térmico, pelo exterior. O grande
problema desta técnica é a possibilidade de vandalismo nos andares térreos e/ou acessíveis
pelo exterior do edifício visto que não é muito resistente. Esta técnica deve ser implementada
com o cuidado necessário de forma a não permitir a perda de calor pelo solo, e a deterioração
da instalação nas esquinas dos edifícios. Mesmo em edifícios novos esta técnica pode ser
vantajosa pelo facto de eliminar pontes térmicas nos revestimentos dos edifícios.
Pela análise da figura 2.6 pode-se constatar que a definição da localização do isolamento
sobrepõe-se, em termos de resultados qualitativos, ao tipo de definição física da parede. Além
disso, verifica-se que são as paredes com isolamento pelo exterior (11+11 ext e 11+15 ext)
que se destacam pela positiva no que se refere a necessidades energéticas de edifícios que as
integrem.
30
Figura 2.6 – Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de parede, em função do seu
isolamento [8]
A figura 2.7 reflecte que a escolha dos materiais de fenestração terá de ser avaliado sob um
ponto de vista qualitativo global em termos de capacidade de transmissão térmica. De facto,
quanto mais baixo for o coeficiente de perdas do conjunto, melhor será o seu comportamento,
pelo que a análise do elemento, neste caso um envidraçado, terá ser efectuada no âmbito do
seu comportamento enquanto um todo.
Figura 2.7 – Avaliação da eficiência energética dos diversos tipos de envidraçado, em função do tipo
de caixilharia [8]
Todos estes factores não devem, no entanto, ser encarados individual e isoladamente. Só faz
sentido actuar em cada um numa perspectiva global, que encare a questão energética de uma
31
forma mais abrangente como é o caso, por exemplo, dos conceitos inerentes à Arquitectura
Bioclimática.
2.4 Arquitectura Bioclimática – conceitos para um edifício sustentável
Um dos factores chave para um design passivo eficaz e eficiente é a compreensão de que não
existe uma solução óptima e aplicável a todas as situações, mas sim, inúmeros mecanismos
que devem ser seleccionados no sentido de se encontrar uma solução adequada para
determinado local. Alguns dos factores que podem afectar esta escolha são o facto de o
edifício ser urbano ou rural, se está localizado numa montanha ou numa planície, a quantidade
de radiação solar recebida diariamente, etc.
O primeiro passo para se desenvolver uma estratégia de Arquitectura Bioclimática, consiste
em começar por estudar as características climáticas do local onde se pretende implantar a
habitação, seguindo esse estudo por uma análise de quais as localizações específicas que se
adaptam a uma utilização eficaz em termos de factores de conforto humano (“bioclimatic
chart”). De seguida devem ser considerados factores técnicos associados a diversas vertentes,
como orientação, cálculos de sombreamento, forma da habitação, movimentos do ar e
avaliação das temperaturas internas. Finalmente, deve ser realizado um projecto
arquitectónico, recorrendo a modelos de simulação idênticos ao apresentado neste trabalho, e
que aproveite os resultados das fases anteriores de forma a contribuir com o plano de uma
habitação bioclimática. Este método foca as particularidades regionais em termos de clima e
às vezes mesmo de microclima inerentes a cada construção. Como tal, cada projecto
bioclimático deve ser analisado isoladamente. Esta questão da envolvente é crucial no que
respeita à Arquitectura Bioclimática, o que significa que já não basta a um arquitecto criar um
projecto esteticamente bem conseguido e integrado com a envolvente urbanística, sendo
necessário uma completa integração com o meio ambiente (efeitos dos edifícios envolventes
em termos de exposição solar e ventos, radiação solar recebida ao longo do ano, etc).
2.4.1 Soluções para arrefecimento no Verão
Este tema é de fundamental importância para Portugal porque reduziria ou eliminaria grande
parte das necessidades energéticas de arrefecimento por ar condicionado e consequentemente
reduziria em muito as necessidades energéticas dos edifícios além de que traria enormes
benefícios em termos de conforto e ambientais.
32
2.4.1.1 Protecção da radiação
Como é óbvio, no Verão os ganhos de calor têm de ser reduzidos ao mínimo. Felizmente o
Sol encontra-se mais alto durante o Verão o que reduz a sua penetração em vãos voltados a
Sul. A utilização de sombreamentos vai reduzir ainda mais esta penetração (Figura 2.8). Por
fim, também o vidro contribui para a redução da captação de energia solar por radiação
devido ao seu comportamento. É que a radiação incidente tem mais dificuldades em
atravessar o vidro quanto maior for o ângulo de incidência (Figura 2.9). Para além disso podese, hoje em dia, utilizar vidros com diferentes tipos de características, tais como vidros com
baixa emissividade o que reduz consideravelmente os ganhos de calor. Por outro lado, o
tamanho das janelas ou aberturas é também um factor de extrema importância no nosso clima.
A área de fenestração deve ser cuidadosamente planeada para não ser exagerada e provocar
condições de desconforto térmico.
Figura 2.8 – Exemplo de palas fixas numa situação de Inverno (à esquerda) e Verão (à direita) [3]
Figura 2.9 – Influência do ângulo de incidência da radiação na sua penetração. Inverno (em cima),
Verão (em baixo) [3]
33
No entanto, existem alguns problemas que necessitam uma atenção especial. Por um lado, o
solstício de Verão não coincide com os dias mais quentes do ano o que significa que quando
os dias mais quentes chegam, o Sol já está mais baixo, penetrando assim melhor nas janelas
voltadas a Sul. Por outro lado, os dias são mais longos e com mais Sol que no Inverno. Ou
seja, embora se consiga evitar a radiação directa, a difusa e reflectida permanecem e são
também factores importantes no aquecimento dos edifícios. Entre as técnicas que se utilizam
para reduzir a radiação que entra nos edifícios no Verão encontram-se as seguintes:
•
Pala fixa, que ao estar colocada no local correcto e dimensionada de acordo com as cartas
solares, impeça a passagem de radiação directa no Verão sem perturbar muito no Inverno
(Figura 2.10);
Figura 2.10 – Exemplo de sombreamento natural [3]
•
Palas exteriores ajustáveis como estores, portadas ou toldos ou então sombreamento
interior como cortinas e cortinados. Apesar dos mecanismos de sombreamento internos
serem de manuseamento mais fácil, em virtude da sua acessibilidade, são cerca de 30%
[3] menos eficientes do que os mecanismos externos, visto que os primeiros estão
localizados no interior do edifício e a reflexão da luminosidade nunca é conseguida a
100%, sendo parte da energia absorvida pela habitação. Em mecanismos externos a
34
energia é dissipada pela ventilação exterior, constituindo portanto um sistema mais
eficiente;
•
Estruturas com plantas de folha caduca que promovem sombreamento no Verão e
transparência no Inverno (Figura 2.11);
•
Utilização de árvores. Funcionam como sombreamento e ainda promovem o
arrefecimento da área através da sua transpiração (Figura 2.12);
•
Utilizações de cores claras (idealmente o branco), que não absorvam muita radiação solar.
As fachadas a Oeste e Leste, assim como o tecto estão sujeitas a radiação muito intensa
durante o Verão. Assim, devem ser incluídas poucas aberturas nestas zonas e a existir devem
ser de pequena dimensão visto a sua única função ser ventilação e iluminação pois não são
úteis para captura de radiação no Inverno.
Figura 2.11 – Exemplo de sombreamento com uma árvore de folha de caduca no Inverno (à esquerda)
e no Verão (à direita) [3]
Figura 2.12 – Exemplo de sombreamento com uma trepadeira [3]
35
2.4.1.2 Sistemas de arrefecimento evaporativo
Como já foi referido, a evaporação de água arrefece as zonas adjacentes pelo que, sempre que
possível, devem ser consideradas pequenas fontes e zonas com plantas no projecto do edifício.
No entanto muitas plantas vão levar a um aumento da humidade do ar o que pode reduzir o
conforto térmico no Verão.
Este tipo de soluções cumpre um papel importante, não só em termos térmicos mas também
em termos de conforto psicológico pois são sempre agradáveis esteticamente e produzem um
efeito de habitabilidade. Existem ainda soluções diversas que propõem fontes de água dentro
do edifício. Para além disto existem inúmeras soluções que podem e devem ser utilizadas
sobretudo num clima como o de Portugal. Exemplos são as “roof-ponds” ou sistemas de
“roof-spraying”, que, tal como os nomes indicam, permitem um arrefecimento do telhado,
promovendo a dissipação do calor da radiação solar através da evaporação da água (Figura
2.13).
Figura 2.13 – Exemplo de um sistema “roof spraying” [3]
2.4.1.3 Ventilação
Na Arquitectura Bioclimática a ventilação é também muito importante, visto que num clima
médio em termos de humidade e temperatura, pelo menos 1/3 [3] do volume de ar de cada
divisão deve ser substituído em cada hora, de forma a assegurar um nível de conforto, de
qualidade do ar e de habitabilidade mínimo na divisão em causa (Figura 2.14).
36
Figura 2.14 – Óculo circular destinado à ventilação da sala [3]
No Verão, aumenta o conforto térmico, pois como já foi dito o movimento do ar aumenta as
perdas de calor do corpo humano e como promove convecção forçada com as paredes, chão e
tectos, ajuda a dissipar o calor. Todas as configurações ao nível das aberturas para ventilação
podem ser estudas através do ensaio destas (configurações) em túneis de vento como é
referido em [9]. Em Portugal a ventilação é um dos factores essenciais a ter em consideração
na projecção de um edifício existindo já inúmeras hipóteses desde chaminés ditas “solares”
(Figura 2.15) até à simples ventilação cruzada.
Figura 2.15 – Pormenor do funcionamento da chaminé solar [3]
37
Existem várias soluções que podem ser aplicadas à ventilação. Uma delas consiste em
aproveitar a elevada massa térmica do solo como aliado (Figura 2.16).
Figura 2.16 – Esquema de funcionamento de um sistema de arrefecimento/ventilação durante um dia
de Verão [3]
Durante o Verão a temperatura do solo é inferior à do ar e no Inverno é superior, fazendo
assim do solo um aliado. Existem efectivamente soluções que tiram partido deste facto como
é o caso de um sistema que consiste em enterrar uma rede de condutas de ar de ventilação
num local adjacente ao edifício (Figura 2.17). O ar é captado a partir de uma abertura a uma
certa distância do local e é introduzido no edifício. A vantagem deste sistema é que
proporciona uma ventilação “condicionada”, ou seja no Verão a temperatura da terra é
inferior à do ar e portanto o ar introduzido é mais frio do que o ar ambiente e promove o
arrefecimento, acontecendo o inverso no Inverno.
Figura 2.17 – Plano do piso térreo da “Casa Solar de Porto Santo” em Porto Santo [3]
38
2.4.1.4 Iluminação
A boa iluminação de um edifício, sobretudo com luz natural, é essencial ao seu bom
funcionamento energético e ao conforto dos seus ocupantes. Aproximadamente 25% do
consumo energético em edifícios é utilizado no sistema de iluminação e equipamentos [3].
Estima-se aliás que por cada kWh de energia poupada em iluminação na estação quente
contribui-se para uma poupança de cerca de 0.3 kWh em ar condicionado [10]. Deste modo, o
arquitecto deve sempre ter em consideração o arranjo das aberturas e distribuição das
superfícies internas para garantir uma distribuição de luz adequada. O objectivo é portanto
maximizar a área do edifício e pessoas com acesso à iluminação natural, dando prioridade a
locais onde se desempenhem tarefas com maior exigência visual. Áreas de ocupação
secundária ou pouco prolongada devem ser então remetidas para as zonas mais interiores do
edifício. Deve todavia ser considerado que um aumento da radiação que penetra no edifício
leva também a um aumento do efeito de estufa aquecendo assim o edifício. As decisões de
projecto devem assim ser ponderadas e optimizadas tendo em conta a localização e horário
principal de utilização do edifício em causa.
Figura 2.18 – Edifício com elevada área envidraçada [3]
39
Outro modo de solucionar de certa forma o problema do sobreaquecimento de edifícios com
elevada área envidraçada (Figura 2.18), logo sujeitos a muita radiação solar, é jogar com a
ventilação. Existem inúmeras hipóteses para aberturas de iluminação que, ao mesmo tempo,
permitem encontrar soluções de ventilação. É uma questão que depende quase que
unicamente da criatividade do projectista. As aberturas para iluminação natural podem ser
subdivididas em: iluminação lateral, iluminação de cobertura, iluminação indirecta (luz
reflectida), iluminação com luz directa do sol, iluminação de pátios, átrios, reentrâncias e as
suas diversas combinações. Importa sublinhar que, sobretudo em climas como o de Portugal,
a iluminação tem sempre de ser prevista tendo em atenção o factor de sobreaquecimento. Por
esta razão, é importante nunca esquecer de prever sombreamentos eficientes e ventilação
adequada e bem projectada para que um bom efeito estético não se transforme num forno no
período Verão!
Devido à natureza do trabalho em causa, parece-nos desnecessário entrar em pormenores em
questões como implementação/orientação e aberturas nos edifícios, tipologias de aberturas,
características do ambiente externo e interno e avaliação de desempenho luminotecnico e
grandezas fotométricas.
Um ponto relevante em termos de optimização da componente de iluminação de um edifício
prende-se com os sistemas de Gestão de Energia (BEMS). Estes constituem uma componente
importante num quadro de reabilitação de edifícios, visto permitirem a optimização da
eficiência energética de diversos componentes activos, como a iluminação artificial.
Este tipo de sistema inclui por exemplo a instalação nas diversas áreas que necessitem de
iluminação de sensores de presença evitando situações em que as luzes estão acesas sem
necessidade. Em [11] sugere-se que existam sensores em zonas que possam ser servidas por
iluminação natural (preferencial), para que a iluminação artificial possa ir aumentando à
medida que a iluminação natural desapareça e vice-versa. Isto permitiria manter a mesma
qualidade de iluminação no edifício, privilegiando a iluminação natural sempre que possível.
No entanto é importante alertar que embora estes sistemas permitam uma diminuição efectiva
dos gastos em energia, é fundamental que permitam rapidamente a um utilizador ultrapassar o
controlo automático. Aliás um outro ponto focado em [11] é o de sistemas autónomos de
controlo da iluminação, mas que, em caso do utilizador preferir o modo manual, lhe indiquem
em paralelo qual o dispêndio adicional de energia envolvido na operação alternativa,
alertando-o assim para uma situação desfavorável. E finalmente um ponto que é
menosprezado normalmente é o que se refere à limpeza da iluminação e encaixes associados:
40
por vezes cerca de 30% da luz é perdida desta forma [3]. Claro que de forma a incentivar esta
operação todo o sistema deve estar facilmente acessível para limpeza.
2.4.2 Soluções para aquecimento no Inverno
2.4.2.1 Captação solar
A energia solar é um factor determinante na arquitectura bioclimática. Desde sempre o Sol
constituiu um ponto central na vida das comunidades humanas, sendo que todas as habitações
eram construídas tendo em vista o ciclo solar, de forma a optimizar o efeito térmico, a higiene
e os efeitos psicológicos a si associados. A própria acção germicida da radiação solar levou a
que alguns códigos de construção obrigassem à iluminação de todas as zonas habitacionais
durante pelo menos 2 horas diárias em 250 dias do ano [12].
Figura 2.19 – Exemplos de mecanismos de captação solar [3]
No Inverno, devido à diferença entre a temperatura no interior de um edifício e a temperatura
exterior, existem perdas de energia, neste caso de calor, que para manter o conforto térmico
necessitam ser compensadas. Num edifício moderno comum, o mais frequente é utilizarem-se
sistemas de aquecimento para compensar estas perdas. Ora a Arquitectura Bioclimática
propõe precisamente soluções que maximizam os ganhos solares de um edifício para que estes
sejam os necessários, ou quase, para compensar as perdas, não havendo então necessidade de
recorrer aos sistemas de aquecimento artificiais. Estes sistemas incluem, factores tão simples
como a orientação do edifício e área de fenestração assim como sistemas mais complexos de
captação de energia solar (Figura 2.19).
41
Figura 2.20 – Exemplo de uma parede de captação solar [3]
Os sistemas de captação de energia solar podem ser definidos por dois parâmetros: eficiência
(energia retida vs. energia incidente) e atraso (tempo entre o armazenamento da energia e a
sua libertação). Os sistemas de retenção classificam-se de directos, indirectos e semi-directos.
Nos directos, como no caso das janelas comuns, o Sol penetra directamente no edifício
através do vidro, conseguindo-se eficiência máxima e atraso mínimo. Nos semi-directos, a
energia solar passa por um espaço intermédio onde o calor que transita para o interior pode
ser controlado. Nos indirectos, para reter a energia solar recorre-se ao efeito de estufa. A
captação da energia dá-se num elemento montado logo após o vidro (com uns centímetros de
intervalo) e o calor armazenado desloca-se para o interior por condução, convecção e
radiação. Um dos exemplos são as paredes “Trombe” que possuem passagens ajustáveis que
permitem controlar a transferência de calor, conforme se pode observar na Figura 2.20. Um
exemplo da aplicação destas paredes, que felizmente já vão sendo utilizadas com alguma
frequência, é na “Casa Schäfer” ilustrado na Figura 2.21 [3].
Sublinha-se que o projecto deve sempre prever sombreamentos e obstáculos para os sistemas
de captação de modo a que esta seja mínima no Verão e máxima no Inverno.
É bastante importante ter-se a noção de que em edifícios desenhados sem qualquer
preocupação especial, a energia solar contribui com 20% para o seu aquecimento, podendo
esse valor aumentar para 40% caso se dedique algum tempo a esta temática quando da
concepção do edifício [3]. É impressionante notar que se a preocupação com os ganhos
solares associados aos edifícios estivesse generalizada em Portugal (como já acontece em
cerca de 10% dos edifícios), a contribuição seria de cerca de 1Mtep, que era em 1997 cerca de
7% do total de energia final consumida [3]!
42
Figura 2.21 – Casa Schäfer, Porto Santo. Fotografia do aspecto exterior de uma parede de Trombe;
esquema do seu funcionamento consoante as estações do ano [3]
2.4.3 Incentivos à aplicação do conceito
De maneira a criar as condições para que estes conceitos sejam aplicados de forma
generalizada, têm sido criados alguns projectos temáticos de desenvolvimento, dos quais se
destaca a Rede Europeia de Habitação Ecológica – EHEN [13] que teve a sua origem em
1993. Na base da sua formação esteve um grupo de promotores de habitação cujos projectos
inovadores na área da construção sustentável foram contemplados com um subsídio
comunitário no âmbito do programa THERMIE (apoio de projectos inovadores de utilização
de energias renováveis). A candidatura a estes subsídios implicou a formação de parcerias
entre dois ou mais países, e promoção de reuniões regulares entre todos os projectos apoiados,
tendo em vista a disseminação das tecnologias e dos conceitos envolvidos na arquitectura
sustentável. A Rede Europeia de Habitação Ecológica (EHEN) transformou-se num fórum de
diálogo técnico em prol da construção sustentável, atraindo a atenção de muitos promotores
europeus. Em menos de quatro anos a Rede reuniu 38 membros de 10 países europeus
diferentes. Actualmente a rede é constituída por 57 membros oriundos de 11 países da Europa
[14].
Para todos estes promotores o objectivo é reduzir o impacto ambiental dos seus
empreendimentos, independentemente de estes se localizarem em contextos climáticos e
43
culturais muito diferentes. Todos os membros da rede estão desde há muito conscientes de
que nestas reuniões não importa a troca de "receitas", porque estas não funcionam da mesma
maneira quando aplicadas a contextos climáticos diferentes, mas, ao contrário, é importante o
acesso à informação e à troca de experiências e saberes entre empreendimentos diferentes,
cujos resultados de sucesso estimulam o grupo a prosseguir no caminho da sustentabilidade.
2.4.3.1 Casos concretos de aplicação
Desde 1993 a Rede Europeia de Habitação Ecológica reuniu 14 vezes em cidades europeias
diferentes. O programa de cada reunião contempla sempre um período de discussão técnica e
um período de visitas guiadas a empreendimentos sustentáveis no país anfitrião. Destas
visitas, que, são sempre de enorme interesse, são de destacar dois empreendimentos
sustentáveis exemplares, a Ecolonia na Holanda e a Egebjerggars na Dinamarca (duas áreas
urbanas criadas nos anos 90) [14].
Nos dias 27 e 28 de Abril de 2000, a Rede Europeia de Habitação Ecológica reuniu em
Lisboa, sob a coordenação de Tirone Nunes e com o patrocínio da Câmara Municipal de
Lisboa que cedeu o Padrão dos Descobrimentos para a realização do evento.
Para além de dois dias de diálogo técnico, no qual participaram cerca de 80 pessoas, foi
visitado um edifício habitacional a custos controlados na Avenida de Ceuta, construído no
âmbito do programa PER no qual foi possível integrar algumas medidas de eficiência
energética, através da participação do INETI.
Foram visitados também o Edifício Administrativo do Parque das Nações e o Pavilhão
Atlântico – ambos considerados exemplares pelas medidas de eficiência energética aplicadas
que reduziram em 50% os seus gastos energéticos.
Foi finalmente visitada a Torre Verde, edifício residencial bioclimático, também no Parque
das Nações, onde se reduziram em mais de 80% [14] os gastos energéticos e os moradores
podem usufruir de um elevado nível de conforto térmico durante todo o ano.
Na reunião EHEN – Lisboa 2000, apresentaram-se vários novos projectos. Da Finlândia ao
País de Gales ficou claro que, os promotores encaram a eficiência energética dos edifícios
como uma medida que já faz parte do "business as usual" dos empreendimentos que
promovem.
Dos empreendimentos apresentados faz-se aqui referência aqueles que parecem mais
interessantes para demonstrar a diversidade de soluções possíveis – todas elas sustentáveis.
Por isso, as imagens de cada projecto – Figuras 2.22 e 2.23 – são acompanhadas de alguns
44
elementos técnicos para demonstrar que apesar da diversidade de medidas técnicas utilizadas,
os resultados comprovam uma redução clara do consumo de energia.
THE FOYER
Figura 2.22 – Edifício “The Foyer” [3]
Localização:
Swansea, Wales
Medida sustentáveis:
Recuperação da fachada de um edifício classificado.
Localização do empreendimento perto de rede de transportes públicos.
Janelas super eficientes.
Utilização de materiais reciclados e reutilização de materiais da demolição.
Aplicação de sistema solar passivo através da cobertura em vidro do átrio actuando como
zona de transição para reduzir as perdas de calor das residências.
Sistema de painéis solares para aquecimento da água quente doméstica e de painéis
fotovoltaicos para sistema de apoio mecânico dos sombreamentos da cobertura do átrio.
Sistema de ventilação natural para o arrefecimento do átrio.
Elevada integração de sistemas de isolamento térmico para redução de perdas de calor
Medidas para redução do consumo de água e electricidade.
45
TORRE VERDE
Figura 2.23 – Edifício “Torre Verde” [3]
Localização:
Lote 4.21 – Parque das Nações, Lisboa
Medidas sustentáveis:
Todos os apartamentos usufruem de orientação privilegiada a Sul.
Proporção correcta das áreas envidraçadas em função de cada orientação.
Isolamento térmico contínuo aplicado pelo exterior (com 6cm de espessura).
Aplicação de vidros duplos de grande espessura (conforto térmico e acústico).
Aplicação de palas e estores exteriores (protecção solar).
Aplicação de paredes de “Trombe” (não ventiladas) no alçado Sul.
Selecção de materiais, tendo em conta o ciclo de vida energético e o grau de toxicidade.
Aplicação de pavimentos flutuantes para reduzir a transmissão de ruído.
Medidas para redução do consumo de água e electricidade.
2.5 Enquadramento legal enquanto suporte do conceito
A crescente consciência ambiental por parte da sociedade em geral, tem levado a uma
contínua procura de soluções para resolver os problemas associados à produção e consumo de
energia, tentando reduzir o impacto negativo do seu uso, sem contudo reduzir os actuais
padrões de qualidade e de conforto no interior dos edifícios. Tudo passa pelo recurso
crescente às energias renováveis e, mais concretamente, pelo aproveitamento da energia solar
no sector dos edifícios, tanto de uma forma activa como de uma forma passiva [7]. No
entanto, estas medidas só serão viáveis com um forte apoio legislativo nesse sentido.
46
Um dos actuais objectivos da Comissão Europeia consiste em, até 2010, reduzir em 20% o
consumo de energia primária no parque habitacional urbano. O comportamento energético
dos edifícios urbanos torna-se, deste modo, um alvo de análise e de intervenção prioritário.
Com o objectivo de estabelecer um quadro comum para promoção da melhoria do rendimento
energético dos edifícios, o Parlamento Europeu e o Conselho adoptaram, em 16 de Dezembro
de 2002, a Directiva 2002/91/CE [15], relativa ao desempenho energético dos edifícios.
Inserida no âmbito das iniciativas comunitárias em matéria de alterações climáticas
(obrigações decorrentes do Protocolo de Quioto) e de segurança do aprovisionamento
energético (Livro Verde sobre a segurança do aprovisionamento energético), esta directiva
surge na sequência das medidas adoptadas em relação às caldeiras, aos produtos de
construção e às disposições do programa SAVE (Decisão n.º 647/2000/CE) [16] relativas aos
edifícios.
Efectivamente, a directiva relativa à certificação energética dos edifícios (Directiva
93/76/CE), adoptada em 1993, é anterior à conclusão do acordo de Quioto e às dúvidas
recentemente colocadas pelo relatório sobre a segurança do aprovisionamento energético da
União, pelo que se impunha uma directiva complementar favorável à abordagem da
racionalização do consumo energético dos edifícios no contexto de novos desafios, capaz de
propor acções mais concretas para colmatar as lacunas existentes. Uma das respostas
encontradas para resolver os problemas energéticos da UE, em especial a sua forte
dependência face a fontes de energia externas e o aumento das emissões de gases
responsáveis pelo efeito de estufa, consta da Directiva 2002/91/CE visando um melhor
desempenho energético dos edifícios, residenciais e do sector terciário, aos quais se atribui
mais de 40% do consumo final de energia da Comunidade, com tendência para crescer.
Esta directiva estabelece requisitos em matéria de:
•
enquadramento geral para uma metodologia de cálculo do desempenho energético
integrado dos edifícios;
•
aplicação de requisitos mínimos para o desempenho energético dos novos edifícios;
•
aplicação de requisitos mínimos para o desempenho energético dos grandes edifícios
existentes que sejam sujeitos a importantes obras de renovação;
•
certificação energética dos edifícios;
•
inspecção regular de caldeiras e instalações de ar condicionado nos edifícios e,
complementarmente, avaliação da instalação de aquecimento quando as caldeiras
tiverem mais de 15 anos.
47
2.5.1 Directivas, normas e regulamentos ligados ao comportamento térmico dos
edifícios em Portugal
Dada a urgência do cumprimentos dos objectivos delineados em Quioto por parte da UE,
todos os países membros têm de implementar a nível nacional, planos para promover o uso de
tecnologias energéticas que levem à redução da emissão de gases de efeito de estufa (GEE) e
em particular do CO2, gás que é largamente o maior responsável pelo aquecimento global do
planeta.
Portugal, conta desde 19 de Outubro de 2001 com uma Resolução do Conselho de Ministros
que adopta o Programa E4 (Eficiência Energética e Energias Endógenas) [17] como a base
para a obtenção a nível nacional do objectivo que a UE pediu ao nosso país em termos da
redução das emissões até 2012 (a par com o PNAC, Plano Nacional para as Alterações
Climáticas [18]). O nosso país ultrapassou já os limites estabelecidos para 2012 e portanto o
cumprimento do objectivo final está agora mais longe. No entanto não é intenção deste
trabalho abordar esse problema. Dentro deste Programa está incluído o programa nacional
para a eficiência energética dos edifícios, designado por P3E [19]. Neste sub programa
destinado aos edifícios são de salientar os seguintes objectivos:
•
promover a melhoria da eficiência energética nos edifícios, ou a utilização racional de
energia (URE), cobrindo todos os tipos de consumo, desde a preparação de água quente
sanitária (utilização básica de maior consumo nos edifícios residenciais), passando pela
iluminação e pelos equipamentos e electrodomésticos (acesso aos resultados dos avanços
tecnológicos), sem esquecer a melhoria da envolvente tendo em conta o impacto desta nos
consumos de climatização (aquecimento, arrefecimento e ventilação) para assegurar o
conforto ambiente;
•
promover o recurso às energias endógenas nos edifícios, criando os meios e instrumentos
que facilitam a penetração das energias renováveis (solar térmico, solar fotovoltaico, etc.)
e das novas tecnologias energéticas (micro-turbinas para micro-cogeração, células de
combustível, etc.), incluindo o estabelecimento das condições para a ligação destes
pequenos produtores de electricidade em baixa tensão à rede eléctrica nacional.
Como objectivos mais concretos são apontados os seguintes:
•
revisão dos regulamentos térmicos RCCTE [20] e RSECE [21] já que o primeiro tem mais
de dez anos sem alterações, e o segundo deve ser revisto a breve prazo. Salientam-se as
medidas para obrigar ao aumento do isolamento dos edifícios para que o coeficiente de
48
transmissão térmica seja cerca de 40% mais baixo que o actual e a adopção de vidros
duplos (em situações de pouco ganho solar);
•
certificação energética de edifícios; incluindo-a no Sistema Português da Qualidade para
clarificar a qualidade da oferta e ao mesmo tempo do consumidor mais intensivo de
energia (Sector dos Serviços). Bastante interesse suscita a apresentação obrigatória do
Certificado Energético no final da construção de edifícios novos ou reabilitações
importantes de edifícios existentes antes da concessão da licença de utilização. A
definição de um “limite aceitável” para o consumo específico de cada sub-sector é, por si
só, um conceito inovador. Definindo esse limite por exemplo, em cerca de 60% ou 75%
da distribuição real de consumos, impõe-se aos edifícios com consumos superiores a esse
limite, a necessidade obrigatória de promover acções de conservação de energia que
reduzam, efectivamente, por exemplo 1% ao ano, o consumo de energia para os níveis
aceitáveis, tendo em conta parâmetros de viabilidade económica da intervenção.
•
verificação mais efectiva do RCCTE e do RSECE, consertando esforços com a
certificação energética;
•
requisitos de formação e competência técnica para os técnicos, quer a nível da autoria dos
projectos, quer na verificação e certificação energética através da sua responsabilização
pela aplicação efectiva;
•
organizar acções de formação acreditadas obrigatórias para a qualificação dos técnicos
intervenientes no processo, envolvendo todos os intervenientes. Nomeadamente envolver
Associações de Engenheiros Técnicos e Ordens para que haja reconhecimento da
importância destas acções;
•
certificação energética do património da Administração, para dar o exemplo aos
particulares;
•
alteração do sistema de incentivos do POE (Plano Operacional da Economia) para a
eficiência energética, o MAPE (Medida de Apoio ao Aproveitamento do Potencial
Energético e Racionalização dos Consumos), introduzindo os ajustes necessários à
promoção de bons edifícios, novos ou reabilitados, bem como de bons sistemas de
climatização e demais equipamentos consumidores de energia;
•
indexar os incentivos ao desempenho global dos edifícios e sistemas de climatização,
entre 30% e 40% do investimento elegível, em função do grau de melhoria relativo às
exigências do RCCTE e do RSECE, acima dos 30%;
49
•
promover acções de gestão da procura junto da população, baseado num Observatório
para a Energia nos Edifícios, com o apoio da Agência para a Energia. Este observatório,
que deve também informar a Administração no sentido de se poder intervir mais rápida e
eficazmente;
•
promover o recurso às energias renováveis nos edifícios, incluindo a promulgação de uma
Lei dos Direitos de Acesso ao Sol.
Resumindo, e em termos mais específicos, o objectivo deste programa é promover a melhoria
do desempenho energético dos edifícios, tendo em conta as condições climáticas externas e as
condições locais, bem como as exigências em matéria de clima interior e a rentabilidade
económica.
2.5.1.1 Âmbito de aplicação dos regulamentos RCCTE e RSECE
Os regulamentos RCCTE e RSECE foram alvo de revisão recente esperando-se que sejam
publicados a breve prazo. Nesta proposta o âmbito de aplicação destes regulamentos varia de
acordo com a tipologia e função dos edifícios. Assim, e conforme se pode observar na tabela
2.2, o RCCTE é aplicado a todo o tipo de edifícios destinados a habitação. Por sua vez, o
RSECE só é aplicado aos edifícios que incluam sistemas AVAC.
Tabela 2.2 – Âmbito da aplicação nos edifícios de habitação
HABITAÇÃO
2
< 150 m
> 150 m2
sem AVAC
com AVAC
RCCTE
SIM
SIM
RSECE
NÃO
SIM
Em relação aos edifícios de serviços (Tabela 2.3), verifica-se que para áreas inferiores a
1000m2 sem sistema AVAC, se impõe a aplicação do RCCTE em detrimento do RSECE. A
partir de 1000m2 impõe-se por sua vez a aplicação do RSECE em detrimento do RCCTE.
50
Tabela 2.3 – Âmbito da aplicação nos edifícios de serviços
SERVIÇOS
2
< 1000 m e sem sist. AVAC
> 1000 m2 e com sist. AVAC
> 1000 m2
RCCTE
SIM
NÃO*
NÃO*
RSECE
NÃO
SIM**
SIM
2.5.1.2 Regulamento de Características de Comportamento Térmico de Edifícios (RCCTE)
Relativamente ao regulamento que aborda as questões energéticas associadas ao
comportamento da envolvente dos edifícios (RCCTE), os seus principais objectivos são:
•
Melhorar a qualidade da construção tirando partido da arquitectura e das tecnologias para,
explorando as potencialidades do clima, satisfazer as condições de conforto;
•
Reduzir as necessidades energéticas para o conforto de aquecimento e de arrefecimento
contribuindo assim para a sustentabilidade urbana.
Segundo a nova proposta de regulamento, deve também ser contabilizada a energia gasta no
aquecimento das águas sanitárias (AQS), o que é uma das novidades introduzidas. Para além
disso, há a referir, como novidades, o seguinte:
•
Definição do clima mais detalhado, incluindo a diferenciação por altitude;
•
Condições interiores definidas com maior rigor;
•
Consideração, com maior detalhe, das trocas de calor por renovação de ar (natural,
mecânica, …);
•
Consideração das perdas térmicas para o terreno e maior detalhe na definição das pontes
térmicas;
•
Contabilização no modelo de diferentes padrões de ganhos internos;
•
Maior detalhe no cálculo dos ganhos de Verão, mas ainda simplificados;
•
Possibilidade de contabilização da contribuição dos sistemas solares passivos.
A energia necessária para aquecimento das águas sanitárias, normalmente pode ser fornecido
através de sistemas de Energia Solar Térmica Activa – AQS [22] – como colectores solares
térmicos, que acumulam a energia solar disponível durante o dia em depósitos de água,
_________________________
* não significa que, no RSECE, não se declarem aplicáveis certos requisitos de qualidade mínima para a envolvente.
** requisitos a definir nunca inferiores aos do actual RSECE, desde que acima do limiar de potência instalada, como indicado
no actual RSECE ou mesmo na Directiva Europeia.
51
disponibilizando assim, água quente para consumo. Existem sistemas aplicáveis tanto para a
pequena escala como para a grande escala de consumos. Em condições normais, os sistemas
solares podem fornecer entre 70 a 80% da energia necessária para o aquecimento das AQS’s
[23]. Vários estudos económicos mostram que a rentabilidade numa aplicação doméstica
deste tipo de sistemas solares pode ser bastante interessante: tendo em conta os benefícios
fiscais existentes no IRS (deduzir 30% das importâncias despendidas na aquisição de
equipamentos novos de energias renováveis, com o limite máximo de 700€), o rendimento
dos equipamentos existentes no mercado assim como o seu custo, é possível atingir valores
para o período de retorno do investimento entre os 6 e os 10 anos, dependendo do tipo de
energia de substituição (gás natural, gás propano, electricidade, ...) e da escala do sistema
aplicado [23]. Em aplicações de raiz ou de maior dimensão é possível diminuir
consideravelmente os valores do período do retorno do investimento, o que torna o solar
térmico para o aquecimento das AQS, tanto no sector doméstico ou residencial como no
sector institucional ou serviços, uma boa solução para a redução dos consumos energéticos.
2.5.1.3 Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE)
Relativamente ao RSECE, os principais objectivos delineados por este programa englobam os
seguintes pontos:
•
Assegurar condições de higiene e de conforto ambiente;
•
Limitar os consumos de energia nos edifícios com sistemas AVAC;
•
Garantir a qualidade dos equipamentos e instalações de AVAC bem como a sua
manutenção.
Este regulamento visa sobretudo aplicar regras mais exigentes aos edifícios que possuem
sistemas de climatização mecânicos e colocar uma barreira mais elevada para casos com área
superior a 1000m2. Os requisitos que terão de ser aplicados aos edifícios que se incluam neste
âmbito são:
•
Conforto e higiene (conforto higrotérmico, qualidade e velocidade do ar);
•
Ventilação e filtragem de ar;
•
Técnicas eficientes de climatização;
•
Requisitos mínimos de eficiência de equipamentos (bombas, ventiladores, motores, …);
•
Ensaios de recepção;
•
Requisitos de manutenção e limpeza de condutas;
•
Segurança (multi-splits).
52
2.6 Ferramentas para avaliação do comportamento térmico dos edifícios
Tem-se verificado nos últimos anos uma maior preocupação pelo conforto térmico e logo um
aumento dos consumos dedicados a aquecimento e arrefecimento, prevendo-se que esta
tendência se mantenha. Torna-se pois necessária a introdução de tecnologias e metodologias
que melhorem o conforto térmico nos edifícios, mas minimizem os gastos energéticos. Há que
adoptar novas ferramentas, novos métodos de abordagem e análise dos edifícios e do
ambiente construído nas nossas cidades, nova regulamentação e métodos de certificação,
introduzir sistemas solares passivos e medidas de eficiência energética, e preparar os
profissionais do sector.
Uma vez assegurado o quadro legal de apoio à implementação de medidas que visem o
controlo dos consumos energéticos no sector dos edifícios, torna-se importante dotar os
profissionais do sector, com ferramentas que lhes permitam avaliar as consequências das suas
opções a nível construtivo, no comportamento térmico dos edifícios. A melhor forma de
encarar a situação actual é utilizando ferramentas que permitam efectuar as correcções
necessárias e, simultaneamente, efectuar uma análise custo/benefício em termos da avaliação
térmica dos edifícios. Torna-se então necessário que essas ferramentas estejam acessíveis
desde o primeiro instante junto de quem tem responsabilidades sobre a execução dos projectos
de edifícios. Da mesma forma terá que haver uma consciência de desempenho energético
sempre que existam obras de remodelação ou alteração de edifícios, aproveitando desta forma
para efectuar correcções energéticas consideradas fundamentais.
Para avaliar esse desempenho energético, o mais correcto será utilizar programas de
simulação que permitam identificar as soluções construtivas mais eficientes e adequadas a
determinadas situações específicas. A utilização destes programas irá permitir verificar, qual a
melhor estratégia que potencie o conforto térmico requerido, minimizando simultaneamente
os custos associados ao desenvolvimento da mesma e durante a sua vida útil. É de
fundamental importância analisar os custos associados ao funcionamento do edifício ao longo
da sua vida útil! Através do recurso a um programa de simulação será possível efectuar várias
comparações entre soluções e estratégias construtivas que permitam constatar a influência dos
diversos elementos relacionados quer com a envolvente quer com a localização dos edifícios.
Até agora as ferramentas existentes que permitiam a avaliação da evolução das condições
térmicas num dado espaço estavam restritas a alguns programas que necessitavam de grandes
modelos de cálculo, com grandes tempos de computação e de difícil interface com o
utilizador. Foi, atendendo a todos estes elementos, que surgiu o programa agora apresentado.
Uma vez que utiliza um interface gráfico de fácil utilização, poderá revelar-se muito útil na
53
observância das condições exigidas a um determinado espaço, consoante a sua localização
geográfica e características térmicas requeridas, com base nos pressupostos funcionais que
hoje em dia regem a generalidade dos projectos, contribuindo deste modo para a convergência
com a politica de desempenho energético estabelecida pela UE.
54
CAPÍTULO 3
Metodologia
Pretende-se neste capítulo, dar a conhecer a metodologia utilizada no desenvolvimento do
trabalho agora proposto, que tem como objectivo a criação de uma interface de comunicação
agradável e acessível entre o utilizador e uma aplicação informática, que implementa um
método simples, capaz de efectuar a previsão da evolução da temperatura ambiente de um
dado espaço fechado não climatizado.
3.1 Introdução
A metodologia utilizada no desenvolvimento deste trabalho assenta na implementação de um
modelo matemático que, recorrendo a uma simples equação de balanço entre os ganhos e
perdas térmicas desse espaço, prevê a evolução da temperatura ambiente em função da
solução construtiva existente, caracterizando simultaneamente a inércia que lhe está
associada.
Apresenta-se de seguida, e de forma breve, o modelo previamente desenvolvido [2].
3.2 Balanço energético de um espaço
3.2.1 Introdução
O espaço para o qual se desenvolveu o modelo matemático tem uma geometria simples. A
configuração geométrica corresponde à de uma sala, paralelipipédica, com um único
compartimento, podendo ser representativa de um edifício unizona ou de um compartimento
independente de um edifício. Sendo assim, a envolvente é constituída por quatro paredes, a
cobertura e o pavimento.
Admitiu-se que a captação dos ganhos solares é feita por um envidraçado, existente numa das
quatro possíveis fachadas, qualquer que seja a sua orientação. Admitiu-se ainda não haver
quaisquer ganhos internos. Na figura 3.1 pode ver-se um esquema representativo do
compartimento simulado.
capítulo 3 metodologia
55
comprimento
pldir
profundidade
plesq
pé direito
pfundo
pfachada
Figura 3.1 – Esquema do compartimento simulado
A evolução da temperatura ambiente no interior do espaço não depende somente dos ganhos
solares ou da inércia térmica associada aos elementos que constituem a envolvente desse
espaço. A temperatura interior é o resultado de um balanço energético dinâmico entre os
ganhos solares através dos envidraçados (Gsol) e as perdas verificadas através da envolvente
para o exterior, quer por condução através de elementos opacos (Qpe), quer por renovação de
ar (infiltração e ventilação natural – Qinf).
Tint
Gsol
Qinf
Text
Qpe
Figura 3.2 – Balanço energético do espaço em estudo
Uma vez caracterizados a envolvente e o clima, é possível estabelecer o balanço de ganhos e
perdas de energia para o espaço em estudo:
Ceff
dTint
n
= Gsol − Q inf − Qpe = Gsol − Q inf − ∑i =1U i Ai (Tint − Text )
dt
(3.1)
O parâmetro Ceff – capacidade térmica efectiva – é uma variável que está relacionada com a
quantidade de massa presente e, por isso, com a inércia do espaço. Este parâmetro é utilizado
56
para caracterizar a inércia e em função dela prever a evolução da temperatura ambiente
interior.
A equação 3.1 subentende uma situação monodimensional de transferência de calor, o que na
realidade não se verifica, pois as envolventes dos edifícios são constituídas por vários
elementos de características térmicas diferentes. Como consequência, os fenómenos de
condução
térmica
são
normalmente
bidimensionais
ou
tridimensionais,
devido,
principalmente, às heterogeneidades nas zonas de ligação, e são de difícil quantificação
analítica. Poder-se-ia ter optado por outro modelo mais preciso e detalhado que descrevesse
com precisão a situação real do espaço em estudo. Modelos deste género têm a vantagem de
conduzir a resultados mais rigorosos e de se poderem adaptar a qualquer tipo de espaço, sendo
por isso, mais versáteis. No entanto, também apresentam alguns inconvenientes, tais como
precisarem de meios de computação mais poderosos, períodos mais longos de computação ou
grande detalhe na definição de dados relativos ao edifício em estudo. Optou-se, então, por este
modelo menos preciso e com uma gama de aplicabilidade mais restrita, sacrificando o rigor à
rapidez e facilidade de utilização do modelo.
A equação 3.1 foi implementada num modelo matemático que foi traduzido num programa
numérico – mpcte – cujo modo de funcionamento é explicado no capítulo 4. Para se fazer a
simulação de um dado espaço torna-se necessário definir a envolvente, as solicitações
exteriores, calcular as perdas por condução através da envolvente opaca, bem como as perdas
por renovação de ar e determinar ganhos solares pelos envidraçados.
3.2.2 Solicitações exteriores
Para caracterizar estas solicitações, é indispensável conhecer os valores da temperatura
ambiente exterior, da radiação solar incidente e o modo como evoluem no tempo. O mpcte
está preparado para receber valores horários da temperatura ambiente exterior e da radiação
solar incidente.
3.2.3 Perdas pela envolvente opaca
As perdas pela envolvente opaca dão-se através das paredes, envidraçados, cobertura e
pavimento. Estas, dão-se por condução através dos elementos sólidos e por convecção e
radiação de grandes comprimentos de onda nas duas superfícies em contacto com os espaços
confinantes. Estes fluxos de calor entre o interior e o exterior são devidos às diferenças de
temperatura existentes entre os dois espaços.
57
O seu cálculo pode ser feito por integração da equação de perdas instantâneas de calor em
regime permanente, para o tempo de simulação pretendido:
Qpe = ∑i =1U i Ai (Tint − Text )
n
(3.2)
Para ser possível determinar estas perdas através dos elementos opacos torna-se por isso
necessário conhecer as propriedades térmicas (o coeficiente global de perdas – U) e físicas (a
área – A) de todos os elementos, i, pertencentes à envolvente.
O coeficiente global de perdas pode ser obtido em tabelas [24,25,26,27] ou calculado através
da seguinte expressão:
1
1
1
n e
=
+
+ ∑i =1 i
U i α int α ext
λi
(3.3)
onde,
α − coeficiente de convecção
λi − condutibilidade térmica da camada i
ei − espessura da camada i
Os valores dos coeficientes de condutibilidade térmica e as resistências superficiais ou são
medidos, ou calculados, ou usados valores tabelados [20,27].
3.2.4 Perdas por infiltração
As perdas por infiltração são devidas ao processo natural de renovação do ar no interior de um
edifício. O fluxo de perdas por infiltração é dado por:
Q inf = mc p (Tint − Text )
(3.4)
que em termos volumétricos é:
Q inf = ρVc p (Tint − Text )
(3.5)
58
onde V representa o caudal de ar que entra no edifício (m3/s).
A grande dificuldade da quantificação destas perdas reside no cálculo deste caudal de ar de
renovação. Este, quantificado pelo parâmetro N (número de renovações de ar por hora), é
altamente instacionário e, para além de depender das variações do vento, depende também das
características das caixilharias de portas e envidraçados. Valores típicos de N para as
construções portuguesas situam-se entre 0.5 e 1 [28,29].
Nestas circunstâncias, o caudal de ar que entra no compartimento é definido por:
V =N
V
3600
(3.6)
Então, a equação 3.5 toma o seguinte aspecto:
Q inf =
ρc p
3600
NV (Tint − Text ) = 0.34 NV (Tint − Text )
(3.7)
É necessário deste modo, para calcular as perdas por infiltração através das frinchas, fornecer
o valor de N bem como o volume do compartimento.
3.2.5 Ganhos solares
Os ganhos solares são de dois tipos: os que entram directamente através dos envidraçados e os
absorvidos pelas superfícies exteriores opacas da envolvente e posteriormente conduzidos
para o interior. Estes últimos são insignificantes face aos primeiros, principalmente se a
envolvente for isolada [2], e foram, por isso, desprezados.
Dos restantes, nem toda a radiação incidente num envidraçado representa uma contribuição
útil para o balanço energético do edifício ou compartimento: uma parte é reflectida nas zonas
opacas da caixilharia e outra parte é reflectida pelo vidro. O efeito da caixilharia foi
contabilizado pelo que será necessário introduzir o respectivo valor de factor de redução do
vão (FRV), considerando deste modo apenas uma percentagem da área do envidraçado, à
semelhança da metodologia seguida pelo RCCTE.
59
Para calcular os ganhos solares torna-se necessário conhecer as dimensões do envidraçado
(Aenv) e o respectivo factor de redução do vão (FRV), para apurar a área útil de vidro, o factor
solar do vão envidraçado (fsolar), o factor de sombreamento (fs) bem como os valores da
radiação solar em superfície vertical (G) ao longo do período em estudo.
Então:
Gsol = (1 − FRV ) × Aenv × fsolar × fs × G
(3.8)
Onde o factor de redução do vão (FRV) é calculado através da seguinte equação:
FRV =
Avidro
Avão
(3.9)
A definição do factor solar (fsolar) e do factor de sombreamento (fs) é apresentada mais à
frente, quando for abordada a questão da modelação dos elementos da envolvente.
3.2.6 Capacidade térmica efectiva de um compartimento
Para caracterizar a inércia térmica de um elemento e, posteriormente, de um espaço fechado,
recorreu-se ao conceito de capacidade térmica efectiva já utilizado, se bem com valores
constantes, em outros estudos [30,31,32,33]. Segundo estes, a capacidade térmica efectiva de
um dado elemento armazenador define-se como a quantidade de calor armazenado por m2 de
área de elemento e por grau centígrado de amplitude térmica diária verificada no interior do
espaço em estudo. A capacidade térmica efectiva quantifica o calor que pode ser
efectivamente armazenado nas massas inérciais durante o período do ciclo diário em que há
ganhos solares e posteriormente devolvido a esse mesmo espaço no período em que não os há.
A resposta dos elementos armazenadores em períodos de 24 horas é útil dada a importância
do harmónico natural de 24 horas de radiação solar e da temperatura ambiente exterior e
consequentemente, dada a importância dos ganhos solares diários.
Neste trabalho, para caracterizar a inércia de um dado elemento armazenador, e
posteriormente do espaço, recorreu-se à mesma definição de capacidade térmica efectiva
(ceff), sendo então, que, para um dado elemento armazenador, i:
60
ceff i =
Qarmi
∆T
(3.10)
O parâmetro Qarm – calor armazenado – representa a quantidade de calor armazenado por m2
de um dado elemento armazenador num período de 24 horas. Este parâmetro é calculado, para
cada um destes elementos pertencentes à envolvente, recorrendo-se a uma base de dados (ver
anexo A), desenvolvida no decurso de outro trabalho [34], onde este parâmetro é
correlacionado com a energia solar total incidente durante um dia nesse elemento e com a
amplitude térmica diária verificada no interior do espaço. O cálculo deste parâmetro será
abordado no ponto seguinte.
De acordo com as solicitações externas e para a solução construtiva existente, recorrendo a
essas correlações matemáticas (ver anexo A), é possível obter a quantidade de calor
armazenada por cada um dos elementos pertencentes à envolvente do espaço, por unidade de
área. Para obter a capacidade térmica efectiva característica do espaço (o parâmetro Ceff da
expressão 3.1) é necessário calcular a quantidade de calor armazenado por todos os elementos
pertencentes à envolvente. Assim,
Ceff = ∑i =1 ceff i Ai
n
(3.11)
Este parâmetro é, assim, uma medida da quantidade total de calor que pode ser armazenado,
em períodos de 24 horas, por toda a envolvente do espaço em estudo e por grau de variação da
amplitude térmica interior verificada no mesmo período.
No ponto seguinte faz-se uma breve descrição do método de cálculo da capacidade de
armazenamento térmico de elementos construtivos.
3.3 Quantificação da capacidade de armazenamento térmico de elementos
construtivos
A quantificação da quantidade de calor armazenada pelos diversos elementos da envolvente
de um edifício é essencial para a precisão do trabalho agora proposto, pelo que resulta a
necessidade do seu cálculo com algum rigor e precisão.
61
O calor armazenado por um dado elemento construtivo depende de vários factores, como
sejam as propriedades termofísicas dos materiais que o constituem, a área e a espessura desse
elemento, a distribuição interna das temperaturas, a evolução das temperaturas ambientes dos
dois lados do elemento armazenador, a localização desse elemento e, ainda, se esse elemento
está ou não sob a acção directa da radiação solar. Mas, apesar da quantificação do calor
armazenado pelos diversos elementos da envolvente ser essencial para a precisão de qualquer
modelo de simulação térmica de edifícios, grande parte dos modelos existentes usam apenas o
produto da massa pelo calor especifico, ou seja, a sua capacidade calorífica total, para
quantificar o calor armazenado pelos diversos elementos armazenadores presentes. Isto é
incorrecto porque, na realidade, a energia armazenada é menor do que a calculada por este
processo, pois a massa situada mais perto da superfície em contacto com o ar interior tem uma
maior participação na transferência de calor, sofrendo maiores flutuações de temperatura e
sendo assim, um armazenador mais eficiente [35].
Deste modo, a quantificação da capacidade de armazenamento térmica dos diversos
elementos construtivos passa pelo cálculo da quantidade de calor armazenada diariamente por
esses elementos. Como já referido, este parâmetro depende de vários factores, sendo a
radiação solar incidente e as amplitudes térmicas verificadas nos espaços adjacentes dois dos
factores que mais fortemente afectam a capacidade de armazenamento de qualquer elemento
construtivo. Seguidamente irá ser apresentada a metodologia que foi usada para o cálculo da
quantidade de calor armazenada em períodos de 24 horas, descrevendo-se a forma como
foram estabelecidas as dependências deste parâmetro com os dois factores apontados [36].
3.3.1 Método de cálculo da quantidade de calor armazenado diariamente
O modelo utilizado para o cálculo da quantidade de calor armazenado em períodos de 24
horas pelos diversos elementos construtivos de um edifício está descrito em [30,36].
Para o cálculo da quantidade de calor armazenada em períodos de 24 horas, Qarm, cada
elemento armazenador foi submetido a perfis típicos diários de temperaturas ambientes e de
radiação solar incidente. No que se refere às temperaturas ambientes, optou-se por submeter o
elemento armazenador a variações sinusoidais em ambas as faces, dado o harmónico natural
de 24 horas das solicitações exteriores. Como o calor armazenado tem uma evolução que
acompanha o andamento das temperaturas ambientes com as quais está em contacto, uma vez
submetido o elemento às referidas solicitações, e uma vez atingido o regime permanente, é
62
possível determinar o calor armazenado num período de 24 horas por um dado elemento,
bastando para isso fazer a diferença entre os valores máximo e mínimo de calor armazenado
durante esse período [35].
3.3.2 Solicitações exteriores
Para se obter as relações matemáticas entre o calor armazenado e os parâmetros que o
influenciam (radiação solar incidente e amplitude térmica interior diária), é necessário definir
os perfis de variação das temperaturas ambientes e da radiação solar incidente que tipificam
as solicitações a que normalmente ficam submetidos os elementos armazenadores.
A radiação solar é um parâmetro variável com o local, a hora do dia ou a época do ano
considerada. Além disso, o total da radiação incidente num elemento armazenador depende do
intervalo de tempo em que há incidência sobre esse elemento, o que, consequentemente, terá
efeitos diferentes na quantidade de calor por ele armazenada. Para resolver este problema, o
calor armazenado foi relacionado não com o valor da intensidade da radiação solar incidente
mas sim com o total de energia incidente sobre o elemento ao longo de um dia. Assim, o valor
da radiação solar incidente é integrado para o intervalo de tempo em que o elemento está sob
a acção directa da radiação solar, e este valor global da energia total que sobre ele incide, Ri,
é, então, relacionado com o calor armazenado.
No que se refere às temperaturas ambientes, cada face do elemento é submetida a um perfil
médio diário típico. Estes perfis foram gerados com base em alguns parâmetros característicos
da temperatura, nomeadamente a temperatura média (Tméd), a amplitude térmica (∆T) e as
horas de ocorrência das temperaturas máxima e mínima (HTmax e HTmin respectivamente).
Adoptou-se o método recomendado pelo LNEC/INMG [37] onde o perfil médio de
temperaturas é constituído por três ramos sinusoidais [36]:
T (t ) = Tmed +
⎡
⎤
∆T
180
cos ⎢
(t − H T max )⎥,
2
⎣ 24 − H T max + H T min
⎦
T (t ) = Tmed −
⎡
⎤
180
∆T
cos ⎢
(t − H T max )⎥,
2
⎣ H T max + H T min
⎦
T (t ) = Tmed +
⎡
⎤
∆T
180
cos ⎢
(t − H T max )⎥,
2
⎣ 24 − H T max + H T min
⎦
0h ≤ t ≤ H T min
H T min ≤ t ≤ H T max
H T max ≤ t ≤ 24h
(3.12)
(3.13)
(3.14)
63
O parâmetro Qarm, foi correlacionado com o parâmetro ∆T, único que de facto tem alguma
influência, uma vez que a quantidade de calor que cada elemento armazena está relacionada
com as flutuações de temperatura sofridas pela sua massa e não com o valor absoluto dessas
temperaturas.
No ponto seguinte mostra-se a forma de cálculo do calor armazenado nos elementos
construtivos.
3.3.3 Calor armazenado em vários elementos
Para o cálculo do calor armazenado foram estabelecidas correlações matemáticas entre os três
parâmetros em jogo (Ri, ∆T e Qarm) [2,34], pelo que se dividiu o estudo em três partes.
Primeiro analisou-se a variação do calor armazenado, Qarm, com a variação da amplitude
térmica diária, ∆T. Em seguida, estudou-se a variação do calor armazenado com a radiação
solar incidente, Ri. Por último, relacionam-se estes três factores em simultâneo.
Os elementos construtivos foram divididos em dois grupos, de acordo com a localização no
edifício [35]:
•
elementos de separação interiores: com ou sem simetria de condições fronteira no que se
refere aos perfis de temperaturas ambientes nas duas faces dos elementos;
•
elementos da envolvente interior ou exterior: considerando-se neste caso apenas os
elementos isolados pela superfície exterior ou com isolamento aplicado na caixa de ar. Os
elementos exteriores sem isolamento não foram considerados porque esta prática
construtiva tende a desaparecer rápidamente dados os níveis de exigência impostos pela
legislação em vigor [20].
Para relacionar o calor armazenado com o ∆T interior, para cada valor de energia total
incidente no elemento armazenador, fez-se variar este parâmetro entre 2 ºC e 12 ºC. Em todas
as situações e para todos os elementos estudados, verificou-se uma relação quasi-linear entre
estes dois parâmetros, qualquer que seja o valor da energia solar incidente. Obviamente,
quanto maior for a amplitude térmica sofrida pelo elemento, maior é a quantidade de calor por
ele armazenada [36].
As correlações matemáticas entre as três variáveis, calor armazenado (Qarm), amplitude
térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior (Ri), podem ser apresentadas,
para todos os elementos construtivos de acordo com a equação genérica:
64
Qarm = A∆TRi + BRi + C∆TRi + DRi + E∆T + F
2
2
( MJ / m 2 )
(3.15)
Para analisar a variação do calor armazenado exclusivamente com a radiação solar incidente,
fixou-se o valor da amplitude térmica e fez-se variar o valor deste parâmetro. Os valores dos
coeficientes A, B, C, D, E, e F da equação genérica 3.15 para diversos elementos constituintes
da envolvente podem ser observados no anexo A [34]. Para a obtenção destes valores foram
usados valores de referência para as propriedades termofísicas dos materiais [20,27], e
consideraram-se as geometrias e as dimensões mais usuais para esses materiais [24,25].
Consideraram-se, ainda, rebocos de cor clara (coeficientes de absorção solar de 0.35) bem
como os revestimentos de piso em madeira com valores do coeficiente de absorção solar da
ordem de 0.60 ou ladrilho cerâmico com valores do coeficiente de absorção solar 0.35
[34,36]. Estes valores foram utilizados para quantificar a quantidade de calor armazenada
diariamente pelos diversos elementos construtivos. Este parâmetro foi utilizado no modelo
utilizado, o que permite, de um modo simples, quantificar a inércia de um espaço fechado e,
ao mesmo tempo, fazer a previsão da evolução horária da temperatura ambiente desse espaço.
A quantificação da quantidade de calor armazenada foi feita para vários elementos
construtivos, os mais típicos das construções portuguesas, de modo a cobrir as várias
situações possíveis no que se refere ao tipo de material, à sua espessura ou ao tipo de
elemento: interior, exterior, simples, composto, isolado, não isolado, homogéneo, maciço, etc.
Os valores dos coeficientes A, B, C, D, E, e F da equação genérica 3.15 para diversos
elementos constituintes da envolvente foram inseridos na base de dados do programa, pelo
que na escolha do elemento constitutivo como definição do elemento da envolvente faz com
que o programa assuma automaticamente os valores dos coeficientes respectivos e de acordo
com as tabelas do anexo A. É de referir que nesta versão do programa e uma vez que nele está
incluída a generalidade dos tipos mais frequentes de elementos constitutivos da envolvente,
não existe a possibilidade de definição de um outro tipo de elemento. Os coeficientes que
aparecem no quadro de definição do elemento da envolvente são os correspondentes ao
elemento escolhido.
65
3.4 Método de cálculo da temperatura ambiente interior
Na equação 3.1 o valor da temperatura ambiente interior – Tint – é desconhecido bem como o
valor da capacidade térmica efectiva – Ceff – uma vez que este parâmetro também depende do
valor da temperatura interior (mais concretamente da amplitude) e do valor da energia solar
incidente.
Para se dar inicio à simulação é, então, necessário arbitrar um valor para a amplitude térmica
diária interior – ∆T – à custa do qual é calculado um valor inicial para o parâmetro Ceff
característico do espaço. A quantidade de calor que cada elemento consegue armazenar está
relacionada com o que se passou com esse elemento em períodos anteriores. Cada elemento
tem um “passado” em termos térmicos que influencia o seu comportamento presente. Por isso,
o cálculo do calor armazenado, Qarm e do respectivo valor da capacidade térmica efectiva,
Ceff, não deve ser feito apenas numa base diária com um único valor característico para um
dia, não entrando em consideração, no dia seguinte, com o que se passou termicamente, pelo
menos no dia anterior. No modelo utilizado [2], para de algum modo se entrar em
consideração com este facto, e embora usando novamente um método simplificado, em vez de
se considerar um valor único de Ceff, como faz a maioria dos modelos existentes, ou mesmo
de os actualizar em cada período de 24 horas, coincidente com um dia, ele é aqui calculado
hora a hora tendo em consideração a amplitude térmica (∆T) verificada nas 24 horas
anteriores e o valor de radiação solar incidente (Ri) dessas mesmas últimas 24 horas.
O cálculo de Ri depende da geometria do compartimento e da geometria e dimensões do
envidraçado. Como a altura e o azimute do Sol estão em constante mutação, e a mancha solar
em qualquer um dos elementos armazenadores da envolvente não é estática, dependendo da
hora, local, época do ano e geometria do compartimento, haverá zonas que não estarão
expostas à radiação solar ao longo de todo o dia e outras que o estarão mas por períodos de
tempo distintos e em horas diferentes do dia. Usando de novo um método simplificado, optouse por dividir cada elemento armazenador em áreas e, em função da geometria solar do caso
em estudo, calcular a energia solar que incide em cada uma delas.
Uma vez identificadas estas áreas (Ai) e o respectivo valor da energia solar total incidente em
cada uma (Ri), recorrendo às regressões do ponto anterior, facilmente se calcula o valor do
calor armazenado por esse elemento:
elemento
Qarm
= ∑i =1 Qarmi Ai
n
(3.16)
66
em que o parâmetro Qarmi é o valor encontrado, para cada área Ai, da quantidade de calor
armazenado por m2.
Uma vez determinado o primeiro valor do parâmetro Ceff, e à custa da equação (3.1), são
calculados os valores da temperatura ambiente ao longo de um período de 24 horas e, em
seguida, o valor da amplitude térmica verificada nesse mesmo período. Este último valor é
posteriormente comparado com o valor inicialmente arbitrado de ∆T. Quando os valores,
inicial e final de ∆T convergirem, está encontrado o valor da capacidade térmica efectiva
característico dessas primeiras 24 horas e o respectivo perfil de variação de temperatura
ambiente interior. Ao fim das primeiras 24 horas, o cálculo de Ceff passa a ser feito hora a
hora tendo sempre em consideração os últimos 24 valores da temperatura ambiente e da
radiação solar incidente.
3.5 Desenvolvimento do modelo de cálculo
O programa mpcte resolve a equação 3.1 de balanço térmico de um espaço fechado não
climatizado. Com este programa é possível obter a evolução horária da temperatura ambiente
no interior do espaço em função da solução construtiva existente bem como o parâmetro Ceff,
que está dependente das temperaturas ambientes e da radiação solar incidente em cada uma
das superfícies que constituem a envolvente desse espaço.
O modelo teórico associado ao programa mpcte pode ser dividido em três importantes
estádios de cálculo:
i – Ângulos solares: onde são obtidos todos os parâmetros relacionados com os ângulos
solares, necessários ao calculo da evolução da mancha solar incidente em cada elemento da
envolvente.
ii – Quantidade de calor e energia solar incidente: onde é calculada a quantidade de calor
armazenada, bem como a energia solar incidente nos vários elementos pertencentes à
envolvente Em relação à quantidade de calor armazenado, é nesta fase que são fornecidas as
correlações matemáticas entre o calor armazenado (Qarm), a energia solar incidente (Ri) e a
amplitude térmica verificada no interior do espaço em estudo (∆T). É também nesta fase que é
calculada a energia solar incidente nos vários elementos, ou seja, o parâmetro Ri e a
respectiva área. Dada a evolução contínua da mancha solar em cada superfície, hora a hora é
calculada a energia solar total incidente e a respectiva área. Para a realização deste cálculo é
67
necessário fornecer a radiação solar incidente numa superfície vertical orientada a Sul que, de
acordo com a metodologia a seguir apresentada, é convertida em radiação incidente numa
dada superfície qualquer que seja a sua orientação. Para tal é necessário recorrer a algumas
noções de geometria solar uma vez que o valor da radiação solar que incide numa dada
superfície depende da latitude do lugar, da altura do sol e do azimute da superfície, conforme
se poderá observar mais a frente.
iii – Capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior: nesta fase é calculada para
cada hora a capacidade térmica efectiva do compartimento fechado e a respectiva temperatura
interior (Tint) ao longo de todo o período de simulação. O cálculo da temperatura é efectuado
recorrendo à equação de balanço de energia 3.1.
3.5.1 Geometria solar
Como já referido, uma vez que o valor da radiação solar que incide numa dada superfície
depende da latitude do lugar, da altura do sol e do azimute da superfície, é necessário utilizar
algumas noções de geometria solar que permitam definir com rigor a evolução da mancha
solar no interior do compartimento [38,39]:
senα = cos Φ. cos δ . cos(hs) + senΦ.senδ
(3.17)
onde
α − altura do sol
Φ − latitude do lugar
δ − declinação
hs − ângulo horário
A declinação, δ , pode ser calculada por:
⎛
⎝
δ = 23.45.sen⎜ 360.
(284 + n ) ⎞
365
⎟
⎠
(º )
(3.18)
Onde n é o dia do ano contado a partir de 1 de Janeiro.
68
O ângulo solar, hs, obtém-se por:
hs = (12 − TSV ) × 15
(3.19)
(º )
Onde o Tempo Solar Verdadeiro (TSV) é obtido por:
TSV = TL + ET +
⎧1 − Abril → Setembro
−⎨
15 ⎩0 − Outubro → Março
λ
* (horas )
(3.20)
sendo λ a longitude do lugar e ET a equação do tempo representada na figura 3.3
20
15
minutos
10
5
0
-5 0
50
100
150
200
250
300
350
400
-10
-15
-20
Equação do Tempo
Figura 3.3 – Equação do Tempo
O azimute solar, as, é obtido pela seguinte expressão:
sen(a s ) = cos(δ ).
sen(hs )
cos(α )
(o)
(3.21)
Em função destes parâmetros é então possível determinar a energia solar total incidente nas
diversas superfícies ao longo de um dia e a respectiva área.
_________________________
* Nas referências indicadas [38,39], para a obtenção do tempo solar verdadeiro é subtraída 1 hora ou 0 horas conforme a
época do ano. Devido à alteração da nossa hora legal, os valores terão de ser corrigidos para 2 horas e 1 hora
respectivamente.
69
Apresenta-se de seguida a metodologia adoptada para as várias superfícies, de modo a
determinar a evolução da mancha solar ao longo do dia e do ano:
3.5.1.1 Pavimento
De acordo com a figura 3.4, os parâmetros D e l são os limites da área do pavimento atingido
pela radiação solar:
L
α
H
l
D
as-ar
D*
+
_
Figura 3.4 – Área do pavimento atingida pela radiação solar
⎫
⎪
H
⎪
. cos(a s − a r )
⎬⇒ D =
tgα
⎪
D = D * . cos(a s − a r )
⎪
⎭
( m)
(3.22)
⎫
⎪
H
⎪
. cos(a s − a r )
⎬⇒ D =
tgα
⎪
D = D * . cos(a s − a r )
⎪
⎭
( m)
(3.23)
tgα =
tgα =
H
D*
H
D*
onde,
⎫
l − L = D * .sen(a s − a r )⎪
⎪
⎬ ⇒ l = L + D.tg (a s − a r )
⎪
D
D* =
cos(a s − a r ) ⎪⎭
( m)
(3.24)
70
A quantidade de energia solar que entra no compartimento, Qsol, é obtida, de acordo com a
figura 3.5, por:
G H . cos(a s ) = G sol
QH *
⎫
G .L .H . cos(a r )
⎪
= G H * .Lwi .H wi . cos(a r − a s )⎬ ⇒ Qsol = sol wi wi
cos(a s ). cos(α )
⎪
Qsol . cos(α ) = QH *
⎭
(J )
(3.25)
onde Lwi e Hwi são as dimensões do envidraçado.
horizontal
GH*
as
GSOL
vertical
QSOL
as
ar
as-ar
α
QH*
+
_
Figura 3.5 – Radiação solar que entra no compartimento
Quando a radiação atinge uma determinada área dx.dy, a quantidade de energia recebida por
essa área nas horas precedentes é aumentada de Ifloor.(dx.dy), onde:
cos(a s − a r ) ⎫
tg (α ) ⎪
G sol .tg (α ). cos(a r )
⎪
⎬ ⇒ I floor =
cos(a s − a r ). cos(a s ). cos(α )
⎪
= I floor . A floor
⎪
⎭
A floor = H wi * Li .
Qsol
(J )
(3.26)
3.5.1.2 Paredes laterais
Usando uma metodologia semelhante para as paredes laterais, os limites da área atingida pela
radiação solar, D e h, e os valores da energia incidente, Isw, de acordo com a figura 3.6, são:
71
L
H
H
α
h*
h
as-ar
L*
L
+
D
_
Figura 3.6 – Área da parede lateral que recebe radiação solar
D=
L
tg (a s − a r )
(3.27)
(m)
h = H − h* ⎫
h* = l * .tg (α ) ⎪⎪
d .tg (a s − a r ).tg (α )
⇒h=H−
1
⎬
l* =
sen(a s − a r )
sen(a s − a r ) ⎪
⎪
l = d .tg (a s − a r ) ⎭
Asw =
Qsol
Lwi .H wi ⎫
tg (a s − a r ) ⎪
G sol .tg (a s − a r ). cos(a r )
⎪
⎬ ⇒ I sw =
cos(a s ). cos(α )
= I sw . Asw ⎪
⎪
⎭
( m)
(J )
(3.28)
(3.29)
3.5.1.3 Parede do fundo
Para a parede do fundo, o processo é o mesmo. De acordo com a figura 3.7, os limites da área
atingida pela radiação solar, l e h, e os valores da energia incidente, Ibw, são:
72
L
H
α
H*
H h
l*
as-ar
l
+
_
Figura 3.7 – Área da parede fundo que recebe radiação solar
⎫
⎪
tg (α )
⎪
H * = D * .tg (α ) ⎬ ⇒ h = H − D.
cos(a s − a r )
⎪
D
D* =
cos(a s − a r ) ⎪⎭
h=H −H*
( m)
(3.30)
l = L−l* ⎫
D
⎪
D
⎬⇒l = L+
l* =
tg (a s − a r )
tg (a s − a r )⎪⎭
( m)
(3.31)
Abw = H wi .Lwi ⎫
G sol . cos(a r )
⎬ ⇒ I bw =
Qsol = I bw . Abw ⎭
cos(a s ). cos(α )
(J )
(3.32)
Como se pode verificar nas equações, para o cálculo da energia solar incidente nas diversas
superfícies, é assumido um local fixo na Terra, definido pela latitude. É, por isso, necessário
mudar o valor deste parâmetro quando se muda de local de simulação.
3.6 Modelação dos elementos da envolvente
Para cada elemento da envolvente, parede, pavimento, cobertura ou envidraçado, foram
executados diversas bases de dados que correspondem aos elementos característicos que
regem o comportamento térmico de cada elemento. Para a definição de cada um destes
elementos é necessária a contribuição de diversos factores que se encontram intrinsecamente
ligados às características de cada um. Nos pontos seguintes, irá ser feita uma abordagem
73
acerca de cada elemento da envolvente e o modo como a sua definição no programa assume
diversos pressupostos de ordem regulamentar e numérica.
3.6.1 Dados gerais do programa
A definição dos dados gerais pressupõe a indicação de diversos elementos necessários à
execução das rotinas de cálculo do programa relacionadas sobretudo com o cálculo dos
ângulos solares. De facto será necessário definir o período de simulação, geometria do
compartimento, latitude, longitude, número de renovações de ar por hora, algumas
características geométricas do compartimento e as distâncias entre os elementos de paredes
laterais e o vão envidraçado. Estas distâncias são necessárias para que a cada hora o programa
assuma o cálculo exacto dos ângulos solares de modo à definição da área de parede atingida
pela radiação solar incidente.
3.6.2 Elementos de parede
Para a definição deste elemento foi inserida a base de dados referente às correlações
matemáticas entre as três variáveis, calor armazenado (Qarm), amplitude térmica diária (∆T) e
energia solar incidente na face interior (Ri), apresentadas, de acordo com a equação genérica
3.15, e de acordo com o tipo de parede e condição fronteira estabelecida, quer seja no
confinamento de espaços interiores ou exteriores.
Esta base de dados é relativa aos seguintes tipos de parede e condição fronteira:
•
paredes simples que confinam com espaços interiores (simples interior);
•
paredes duplas que confinam com espaços exteriores (dupla exterior);
•
paredes simples que confinam com espaços exteriores (simples exterior).
No programa está inserido ainda outro tipo de parede (dupla interior) mas que não se encontra
disponível nesta versão de programa.
A selecção do tipo de parede carrega automaticamente a base de dados respectiva onde se
pode encontrar diversas tipologias construtivas associadas. Cada definição pressupõe os
coeficientes A, B, C, D e F respectivos, e referentes à equação genérica 3.15, os quais são
automaticamente colocados na tabela que se encontra na parte inferior da janela. De notar que
não é possível a introdução de qualquer outro tipo de elemento sem ser aqueles que se
encontram na base de dados, ou alteração dos valores dos mesmos.
74
É também necessário definir a orientação da parede para que o programa consiga estabelecer
a localização do elemento nas coordenadas espaciais que estão na base do cálculo dos ângulos
solares. É de referir que para tal, na definição de cada elemento, terá de ser dada uma
referência de acordo com o indicado na figura 3.1 (pfundo, pldir, plesq e pfachada). Os
restantes elementos necessários ao funcionamento do programa são o coeficiente global de
perdas do elemento (U) e a respectiva área (A).
O programa necessita de verificar a completa ortogonalidade do espaço. Isto acontece devido
à forma como são calculados os ângulos solares com os elementos. Devido a esta situação,
nesta versão do programa, apenas é permitida a introdução de quatro elementos de parede,
onde cada um assume características constantes em dimensão e constituição.
3.6.3 Elementos de cobertura
À semelhança dos elementos de parede, também para a definição da cobertura foi inserida a
base de dados referente às correlações matemáticas entre as três variáveis, calor armazenado
(Qarm), amplitude térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior (Ri),
apresentadas, de acordo com a equação genérica 3.15, e de acordo com o tipo de cobertura e
condição fronteira estabelecida, quer seja no confinamento de espaços interiores ou exteriores.
Nesta versão do programa apenas se encontra disponível a opção de tipologia de cobertura
executada em blocos e vigotas de betão armado e pré-esforçado (B.A.P.E).
Esta base de dados é relativa aos seguintes tipos de cobertura e condição fronteira:
•
blocos + vigotas de B.A.P.E que confina com espaços interiores (espaços úteis);
•
blocos + vigotas de B.A.P.E que confina com espaços exteriores (espaços não úteis).
A selecção do tipo de condição fronteira carrega automaticamente a base de dados respectiva
onde se podem encontrar diversas tipologias construtivas associadas. Cada definição
pressupõe os coeficientes A, B, C, D e F respectivos, e referentes à equação genérica 3.15, os
quais são automaticamente colocados na tabela que se encontra na parte inferior da janela. De
notar que não é possível a introdução de qualquer outro tipo de elemento sem ser aqueles que
se encontram na base de dados, ou alteração dos valores dos mesmos.
Devido à ortogonalidade do espaço, apenas é permitida a introdução de um elemento de
cobertura, que assume características constantes em dimensão e constituição.
75
É de referir ainda que, na definição de cada elemento, terá de ser dada uma referência, que
poderá ser qualquer uma vez que este elemento não está sujeito aos mesmos condicionalismos
impostos na definição das paredes. Os restantes elementos necessários ao funcionamento do
programa são igualmente, o coeficiente global de perdas do elemento (U) e a respectiva área
(A).
3.6.4 Elementos de pavimento
À semelhança dos elementos de cobertura, também para a definição do pavimento foi inserida
a base de dados referente às correlações matemáticas entre as três variáveis, calor armazenado
(Qarm), amplitude térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior (Ri),
apresentadas, de acordo com a equação genérica 3.15 e de acordo com o tipo de pavimento e
condição fronteira estabelecida, quer seja no confinamento de espaços interiores ou exteriores.
Nesta versão do programa estão disponíveis duas opções de tipologia de pavimento: em
blocos e vigotas de betão armado e pré-esforçado (B.A.P.E) ou em betão armado.
Esta base de dados é relativa aos seguintes tipos de pavimento e condição fronteira:
•
blocos + vigotas de B.A.P.E que confina com espaços interiores (espaços úteis);
•
blocos + vigotas de B.A.P.E que confina com espaços exteriores (espaços não úteis);
•
betão armado que confina com espaços exteriores (espaços não úteis).
Nesta versão do programa não se encontra disponível a opção de pavimento de betão armado
que confina com espaços interiores (espaços úteis).
A selecção do tipo de condição fronteira carrega automaticamente a base de dados respectiva
onde se pode encontrar diversas tipologias construtivas associadas. Cada definição pressupõe
os coeficientes A, B, C, D e F respectivos, e referentes à equação genérica 3.15, os quais são
automaticamente colocados na tabela que se encontra na parte inferior da janela. De notar que
não é possível a introdução de qualquer outro tipo de elemento sem ser aqueles que se
encontram na base de dados, ou alteração dos valores dos mesmos.
É de referir ainda que, na definição de cada elemento, terá de ser dada uma referência, que
novamente poderá ser qualquer uma, vez que este elemento também não está sujeito aos
mesmos condicionalismos impostos na definição das paredes. Os restantes elementos
76
necessários ao funcionamento do programa são também o coeficiente global de perdas do
elemento (U) e a respectiva área (A).
3.6.5 Elementos envidraçados
Para a definição de um elemento envidraçado o programa necessita de elementos como a
orientação, definição do tipo de vidro e protecção, da área do vão, coeficiente global de
perdas, factor de sombreamento e factor de redução do vão. Estes elementos são necessários
para a completa discretização e desempenho térmico do elemento. De notar que nesta versão o
programa apenas permite a introdução de um vão envidraçado.
3.6.5.1 Factor solar do vão envidraçado
O programa apresenta duas soluções de estrutura de vidro: vidro simples ou vidro duplo.
Através da selecção do tipo de vidro tem-se acesso às opções de protecção solar do vão, que
poderão ser de três tipos:
•
sem protecção solar;
•
com protecção interior;
•
com protecção exterior.
Na definição de elementos envidraçados com protecção, o programa entra em linha de conta
com os diversos factores solares associados quer ao tipo de vidro quer ao tipo de protecção
solar, e que foram introduzidos numa base de dados do programa. Assim, e após a selecção da
constituição do vidro e da opção de protecção, o programa assume para o factor de protecção
do vão a seguinte metodologia de cálculo:
Se existir protecção solar e o vidro for simples e incolor:
factor solar do vão = fsp
onde:
fsp – factor solar da protecção
77
Se existir protecção solar e o vidro for simples e colorido:
factor solar do vão =
fsv × fsp
0.85
onde:
fsp – factor solar da protecção
fsv – factor solar do vidro
Se existir protecção solar e o for vidro duplo e incolor:
factor solar do vão = fsp
Se existir protecção solar e o vidro for duplo e colorido:
factor solar do vão =
fsv × fsp
0.75
Se não existir protecção solar:
factor solar do vão = fsv
3.6.5.2 Factor de sombreamento (fs)
O factor de sombreamento serve para traduzir a existência de elementos susceptíveis de criar
efeitos de sombra no vão, diminuindo deste modo os ganhos solares através do envidraçado.
O factor de sombreamento poderá traduzir a existências de palas de sombreamento verticais
ou horizontais ou simplesmente a existência de obstáculos à incidência directa dos raios
solares sobre o envidraçado.
No capítulo seguinte mostra-se de que modo todos estes factores foram tidos em conta através
da implementação do modelo num programa de cálculo automático.
78
CAPÍTULO 4
Implementação do modelo num programa de cálculo automático
Neste capítulo, será feita a demonstração da aplicação do modelo num programa de cálculo
automático, desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic 6.0. A utilização desta
plataforma de programação, vem acrescentar um maior poder de contextualização entre as
diversas partes do modelo e o utilizador, conforme se poderá constatar através dos pontos
seguintes.
4.1 Caracterização geral
O desenvolvimento de modelos em linguagem Visual Basic 6.0 consiste essencialmente na
programação de “objectos” permitindo estabelecer um interface gráfico entre o utilizador e o
modelo de cálculo inserido nos códigos de programação. Deste modo o modelo apresentado
pode dividir-se em duas partes distintas: inputs e outputs.
Os “objectos” referentes aos dados necessários ao funcionamento do programa (inputs) são
necessários para a constituição de uma base de dados de referência onde as rotinas de cálculo
associadas ao modelo teórico desenvolvido irão permitir a obtenção dos resultados finais do
estudo. Os outputs são assim, a consequência final do desenvolvimento de diversas
sequências de procedimentos.
4.2 Utilizando o programa
Para que a aplicação se inicie terá de se proceder à instalação do programa através do Setup de
instalação contido no CD que acompanha este trabalho. É de referir que com a instalação do
programa é instalado também o respectivo manual de utilização com a extensão .pdf.
Para executar o programa recomenda-se como configuração mínima a utilização de um
processador Pentium II 250Mhz com 64 MB de memória RAM e uma resolução gráfica de
1024×768, sob sistema operativo Windows (98, 2000, NT, xp).
O programa é composto por diversos módulos (objectos) que permitem ao utilizador uma
interacção com os dados de entrada de forma a caracterizar física e espacialmente o modelo
de simulação. Através da figura 4.1 pode-se ter uma perspectiva da maneira como estes
objectos estão organizados.
capítulo 4 implementação do modelo num programa de cálculo automático
79
mpcte
Ficheiro Climático
Paredes
dados de paredes
elemento de parede
CÁLCULO
Coberturas
dados de coberturas
elemento de cobertura
RESULTADOS
Pavimentos
dados de pavimentos
elemento de pavimento
Envidraçados
dados de envidraçados
elemento de envidraçado
Definição da Envolvente
Dados Gerais
gráficos
ficheiro .res
Temperatura - Tempo
Amplitude Térmica - Tempo
Ceff - Tempo
Ceff - Amplitude Térmica
Figura 4.1 – Organograma do programa
A figura 4.2 representa a janela de entrada do programa. Para se aceder a esta janela basta
clicar no ícone do programa que estará disponível após a instalação do mesmo.
Figura 4.2 – Janela de entrada do programa
4.2.1 Como iniciar um trabalho
Os módulos de inputs que permitem definir e caracterizar o modelo em estudo, tanto física
como espacialmente, estão situados na parte superior do programa, conforme se pode
observar na figura 4.3.
80
Figura 4.3 – Menu “Projecto” de entrada do programa
Através do menu “Projecto” pode-se optar por iniciar um novo trabalho, abrir um outro já
efectuado (.mce) ou simplesmente sair do programa. Os restantes menus desta janela “Ajuda”
e “Mpcte”, permitem, como o próprio nome indica, aceder a menus de ajuda, o primeiro, e
informações do programa, o segundo. A partir do menu Projecto dá-se início a um novo
trabalho (Figura 4.3). Através do item Novo acede-se a uma janela denominada “Dados
Gerais do Projecto”, que terá o aspecto idêntico ao apresentado na figura 4.4.
Figura 4.4 – Janela de definição de dados gerais do projecto
81
Nesta janela, além de se poder definir espacialmente o compartimento, pode-se também
introduzir informação relativa ao período de simulação, as coordenadas do local no globo
terrestre – latitude e longitude – e a variável N, correspondente ao número de renovações de ar
no compartimento.
Esta janela permite também guardar o projecto em curso com a extensão .dat. Este ficheiro
está organizado de forma a colocar todos os dados relativos ao projecto e servirá sobretudo
para facilitar a análise dos dados inseridos. Simultaneamente será gerado um novo ficheiro,
com o mesmo nome do definido anteriormente, mas com extensão .mce. Este ficheiro será um
ficheiro do programa, que servirá apenas para leitura dos dados do projecto guardado. Em
caso de se abrir um trabalho já executado, será este o ficheiro a seleccionar.
4.2.2 Caracterização da envolvente
Seleccionando o subitem “Caracterização da Envolvente”, tem-se acesso a um outro nível de
definição da envolvente, mais específico, permitindo seleccionar qual o elemento da
envolvente a definir, conforme se pode observar na figura 4.5.
Figura 4.5 – Menu “Dados”
82
4.2.2.1 Definição de elementos de parede
Através da selecção do elemento “Paredes” tem-se acesso a uma outra janela – “Dados de
Paredes” (Figura 4.6), onde será definido mais concretamente o elemento. Esta nova janela
faz a gestão dos elementos, permitindo, através dos comandos situados na sua parte superior,
adicionar, editar, eliminar, duplicar elementos e retornar à janela de “Dados Gerais do
Projecto”. Permite também através do último comando, aceder à ajuda disponibilizada pelo
programa.
Todos os campos em branco serão preenchidos apenas e só quando se aceder à próxima janela
através do comando “adicionar”.
Figura 4.6 – Janela referente a “Dados de Paredes”
Ao se optar por “adicionar” um elemento, acede-se a uma outra janela (Figura 4.8) que
permitirá definir a designação e referência do elemento, a sua constituição física, a sua
orientação, o tipo e condição fronteira, área e o respectivo coeficiente global de perdas do
elemento (U).
É de notar que imediatamente antes de se aceder à janela da figura 4.8, irá aparecer no ecrã
uma mensagem de aviso (Figura 4.7) relativamente ao cuidado a ter ao preencher o campo
referência e que está relacionado com o modo como a informação é tratada no interior do
programa.
83
Figura 4.7 – Janela de alerta para introdução de paredes
Figura 4.8 – Janela para definição de elemento de parede
Os coeficientes que aparecem na janela são os mesmos da equação genérica já definida no
capítulo anterior e que podem ser encontrados na tabela A1.6 do anexo A, referentes à
correlação matemática entre as três variáveis, calor armazenado (Qarm), amplitude térmica
diária (∆T) e energia solar incidente na face interior do elemento (Ri).
O programa permite definir até quatro elementos de parede
(1)
, pelo que se tentar introduzir
um quinto elemento, surgirá no ecrã a mensagem da figura 4.9.
_________________________
(1)
Em cada orientação o programa apenas admite a definição de um único elemento com características constitutivas
homogéneas.
84
Figura 4.9 – Mensagem de alerta de limite máximo de elementos
O menu “Projecto” permitirá voltar ao menu principal de “Dados de Paredes”, onde a janela
da figura 4.6 terá agora o aspecto da figura 4.10.
Figura 4.10 – Janela de “Dados de Paredes” com um elemento definido
O tratamento da informação disponível será efectuada da forma já descrita anteriormente e
permitirá completar o quadro de paredes (Figura 4.11) ou voltar para a janela da figura 4.4 –
“Dados Gerais do Projecto” – para definição dos restantes elementos da envolvente.
85
Figura 4.11 – Janela de “Dados de Paredes” completamente definida
4.2.2.2 Definição de elementos de cobertura
De volta à janela da figura 4.5, seleccionar-se-á agora o item “Coberturas”. Ao fazê-lo, temse acesso a uma janela em tudo idêntica à da figura 4.6, com todos os comandos necessários
para efectuar o mesmo nível de tratamento de dados do verificado para os elementos de
parede, mas onde os campos traduzem outro tipo de informação necessária para a definição
deste novo elemento da envolvente, nomeadamente a definição do tipo de condição fronteira
estabelecida, conforme se pode observar na figura 4.12.
Figura 4.12 – Janela referente a “Dados de Coberturas”
86
De referir que a condição fronteira pode ser definida de duas formas:
•
Confinante com espaços úteis (E.U.);
•
Confinante com espaços não úteis (E.N.U.).
Utilizou-se a definição de espaço útil e não útil que é utilizada no RCCTE [20].
Seguindo o mesmo procedimento adoptado para as paredes, pode-se adicionar um novo
elemento de cobertura através do comando “adicionar”. Deste modo tem-se acesso à janela da
figura 4.13.
Figura 4.13 – Janela para definição de elemento de cobertura
Também para este elemento, os coeficientes que aparecem na janela são os mesmos da
equação genérica já definida no capítulo anterior e que podem ser encontrados na tabela A1.4
do anexo A, referentes à correlação matemática entre as três variáveis, calor armazenado
(Qarm), amplitude térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior do elemento
(Ri).
O programa permite definir neste caso apenas um elemento de cobertura (2), pelo que se tentar
a introdução de um outro elemento, surgirá no ecrã a mensagem da figura 4.14.
_________________________
(2)
O programa apenas admite a definição de um único elemento de cobertura com características constitutivas homogéneas.
87
O menu “Projecto” permitirá voltar ao menu principal de “Dados de Coberturas”, onde a
janela da figura 4.12 terá agora o aspecto da figura 4.15.
Figura 4.15 – Janela de “Dados de Coberturas” com um elemento definido
De forma análoga aos procedimentos efectuados para os elementos de parede, pode-se agora
tratar a informação disponível da forma já descrita ou voltar para a janela da figura 4.4 –
“Dados Gerais do Projecto” – para definição de outros elementos da envolvente.
4.2.2.3 Definição de elementos de pavimento
De volta à janela da figura 4.5, e seleccionando agora o item “Pavimentos”, tem-se acesso a
uma janela idêntica à da figura 4.12, com todos os comandos necessários para efectuar o
mesmo nível de tratamento de dados, e onde também os campos traduzem a mesma
informação necessária à semelhança do elemento “Cobertura”, conforme se observa pela
análise da figura 4.16.
88
Figura 4.16 – Janela referente a “Dados de Pavimentos”
Através do comando “adicionar” tem-se acesso a uma outra janela (Figura 4.17) onde se pode
definir a designação e referência do elemento, o tipo de pavimento e sua constituição física, a
condição fronteira, área e o respectivo coeficiente global de perdas do elemento (U).
Figura 4.17 – Janela para definição de elemento de pavimento
Também para este elemento, os coeficientes que aparecem na janela são os mesmos da
equação genérica já definida no capítulo anterior e que podem ser encontrados na tabela A1.3
89
do anexo A, referentes à correlação matemática entre as três variáveis, calor armazenado
(Qarm), amplitude térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior do elemento
(Ri).
O programa permite definir apenas um elemento de pavimento
(3)
, pelo que se tentar a
introdução de um outro elemento, surgirá no ecrã a mensagem da figura 4.18.
O menu “Projecto” permitirá voltar ao menu principal de “Dados de Pavimentos”, onde a
Figura 4.19 – Janela de “Dados de Pavimentos” com um elemento definido
De forma análoga aos procedimentos efectuados para os elementos de parede, pode-se agora
tratar a informação disponível da forma já descrita ou voltar para a janela da figura 4.4 –
“Dados Gerais do Projecto” – para definir outros elementos da envolvente.
_________________________
(3)
O programa apenas admite a definição de um único elemento de pavimento com características constitutivas homogéneas.
90
4.2.2.4 Definição de elementos envidraçados
Utilizando ainda o mesmo tipo de procedimento, e seleccionando agora o item
“Envidraçados” a partir da janela da figura 4.5, tem-se acesso a uma outra janela, idêntica à
da figura 4.12, com todos os comandos necessários para efectuar o mesmo nível de tratamento
de dados, e onde também os campos traduzem a mesma informação necessária à semelhança
do elemento “Parede”, conforme se observa pela análise da figura 4.20.
Figura 4.20 – Janela referente a “Dados de Envidraçados”
Ao se proceder à adição de um novo elemento tem-se acesso a uma outra janela (Figura 4.21)
onde se poderão definir os seguintes elementos:
•
- designação e referência que permitirão ao projectista identificar a solução;
•
- tipo de vidro;
•
- tipo de protecção solar;
•
- orientação do envidraçado;
•
- área total do vão envidraçado (A);
•
- factor de redução do vão (FRV);
•
- factor de sombreamento (fs);
•
- coeficiente global de perdas (U).
91
Figura 4.21 – Janela para definição de elemento de envidraçado
O programa permite definir apenas um elemento envidraçado
(4)
, pelo que se tentar a
introdução de um outro elemento, surgirá no ecrã a mensagem da figura 4.22.
O menu “Projecto” permitirá voltar ao menu principal de “Dados de Pavimentos”, onde a
_________________________
(4)
O programa apenas admite a definição de um único elemento envidraçado com características constitutivas homogéneas.
92
Figura 4.23 – Janela de “Dados de Envidraçados” com um elemento definido
A partir deste momento, onde todos os elementos da envolvente estão definidos, pode-se
agora proceder ao carregamento do ficheiro climático (.clm), que irá fornecer os dados
referentes à radiação e temperatura exterior durante o período de simulação.
4.2.3 Carregamento do ficheiro climático (.clm)
(5)
Este ficheiro normalmente é obtido recorrendo ao Instituto Nacional de Meteorologia e
Geofísica através das suas estações de medição espalhadas pelo território nacional (isto se o
local em estudo se localizar em Portugal). Para se proceder ao carregamento deste ficheiro,
será necessário recorrer à janela da figura 4.5, e seleccionar o item “Dados de Elementos
Climáticos” e de seguida o subitem “Por leitura de ficheiro” conforme indica a figura 4.24.
O formato deste ficheiro é indicado mais à frente neste capítulo.
_________________________
(5)
Para criar um ficheiro de extensão .clm, basta editar a informação horária da radiação e temperatura num qualquer
processador de texto e alterar a extensão para .clm.
93
Figura 4.24 – Introdução de ficheiro de dados de elementos climáticos
Deste modo opta-se por efectuar um carregamento mais rápido dos dados do que se se optasse
pelo subitem “Por introdução de valores”, onde se teria que introduzir um a um os valores
horários da radiação e temperatura exterior, o que objectivamente torna o processo muito mais
moroso (Figuras 4.25, 4.26 e 4.27).
94
Figura 4.25 – Dados de elementos climáticos por introdução de valores
Figura 4.26 – Dados de elementos climáticos por introdução de valores – Radiação
Figura 4.27 – Dados de elementos climáticos por introdução de valores – Temperatura
95
Se se optar pela primeira hipótese, apenas se tem que considerar a existência de um ficheiro
de extensão .clm conforme se pode observar na figura 4.28.
Figura 4.28 – Dados de elementos climáticos por leitura de ficheiro.
Neste ficheiro os dados são apresentados por colunas. Assim a primeira coluna é respeitante
aos valores de radiação exterior e a segunda à temperatura exterior. Estes valores deverão
estar separados por vírgulas como no exemplo abaixo.
Rad.
Text
0,
11.6
0,
11.5
0,
10.5
0,
9.4
0,
9
Exemplo: Rad = 0 W/m2, Text = 11.6ºC
…..
96
De notar que neste exemplo os valores aparecem separados apenas para se ter uma melhor
percepção das variáveis envolvidas. No ficheiro real não poderá haver qualquer espaçamento
entre os valores e a vírgula.
4.2.4 Executando o cálculo
Após a conclusão do carregamento do ficheiro climático está-se em condições de dar ordem
de cálculo ao programa. Se eventualmente se der a ordem de cálculo sem se ter procedido ao
carregamento do ficheiro climático será dado o alerta para o facto através da janela da figura
4.29.
Figura 4.29 – Mensagem de falta de carregamento do ficheiro climático
Após a ordem de cálculo o programa gera automaticamente um ficheiro de resultados com
extensão .res (CAT1.res). Além deste ficheiro serão gerados também gráficos que podem ser
consultados através do menu “Resultados” da figura 4.30.
O ficheiro de resultados, que pode ser consultado mais à frente (Figura 4.51) dispõe de todos
os elementos calculados e que estiveram na base do cálculo da temperatura ambiente interior
e da capacidade térmica efectiva dos elementos. Este ficheiro pode ser dividido em duas
partes. A 1ª parte serve essencialmente para efectuar uma análise horária, onde a cada hora,
estão indicados os ângulos solares, perdas pela envolvente, perdas por infiltração, amplitude
térmica das últimas 24 horas, capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior. A
2ª parte serve sobretudo para efectuar uma análise gráfica com os parâmetros mais
importantes calculados, neste caso a capacidade térmica efectiva e a temperatura ambiente
interior.
97
Figura 4.30 – Menu de gráficos gerados pelo programa
Através do subitem “Temperatura – Tempo” obtém-se o gráfico da figura 4.31. Este gráfico
mostra a evolução da temperatura interior média diária por sobreposição com a temperatura
média exterior.
Figura 4.31 – Gráfico Temperatura – Tempo gerado pelo programa
98
Através do subitem “Amplitude Térmica – Tempo”, obtém-se o gráfico da figura 4.32. Este
gráfico efectua a sobreposição da temperatura interior média diária com a amplitude térmica
diária verificada.
Figura 4.32 – Gráfico Amplitude Térmica – Tempo gerado pelo programa
Através do subitem “Ceff – Tempo”, obtém-se o gráfico da figura 4.33. Este gráfico mostra a
evolução da capacidade térmica efectiva ao longo do período de simulação.
Figura 4.33 – Gráfico Ceff – Tempo gerado pelo programa
99
Através do subitem “Ceff – Amplitude Térmica” obtém-se o gráfico da figura 4.34. Como
referido na análise do gráfico anterior, também aqui se mostra a evolução da capacidade
térmica efectiva com a amplitude térmica. È possível notar que, quanto maior é amplitude
térmica menor é a capacidade térmica efectiva.
Figura 4.34 – Gráfico Ceff – Amplitude Térmica gerado pelo programa
Qualquer um destes gráficos possui uma opção de impressão que pode ser acedida através do
menu “Projecto” localizado no canto superior esquerdo do gráfico.
4.2.5 Trabalhar com os comandos dos menus
Todas as janelas possuem menus que permitem ao utilizador aceder aos diversos níveis do
programa. Dentro destes níveis existem as denominadas janelas gerenciadoras dos elementos
(Figuras 4.6, 4.12, 4.16 e 4.20), onde se pode efectuar o tratamento dos dados referentes aos
vários elementos em estudo, pela utilização dos botões de comando incorporados em cada
uma delas. É de referir que estes comandos são iguais para todas as janelas gerenciadoras.
4.2.5.1 Comando “adicionar”
Figura 4.35 – Comando “adicionar” elementos
100
Este comando permite adicionar elementos de forma a permitir a definição da envolvente. Dá
acesso à janela que permite definir o elemento da envolvente em estudo (Figuras 4.8, 4.13,
4.17 e 4.21)
4.2.5.2 Comando “editar”
Figura 4.36 – Comando “editar” elementos
Este comando permite editar um elemento já definido ou guardado num projecto anterior e
dará acesso a uma janela de input (Figura 4.37) onde se tem de identificar qual o elemento a
editar, através da numeração sequenciada no campo #.
Figura 4.37 – Janela de definição de elemento a editar
Ao ser identificado o elemento, ter-se acesso à janela (Figuras 4.8, 4.13, 4.17 e 4.21) onde
consta toda a informação do elemento em estudo, podendo deste modo modificar-se os dados
e promover as alterações pretendidas.
4.2.5.3 Comando “eliminar”
Figura 4.38 – Comando “eliminar” elementos
À semelhança do botão editar também o botão eliminar funciona com o mesmo tipo de
procedimento, só que aqui, depois de se identificar o elemento a eliminar, o utilizador
mantém-se na janela gerenciadora do elemento da envolvente em estudo. É de referir que após
a eliminação de um elemento o programa ordena automaticamente o campo #.
101
Figura 4.39 – Janela de definição de elemento a eliminar
4.2.5.4 Comando “duplicar”
Figura 4.40 – Comando “duplicar” elementos
Este comando permite proceder à duplicação de um elemento. Se eventualmente se tiver um
elemento com as mesmas características de um outro já inserido, basta identificar qual o
elemento, através da janela da figura 4.41, que imediatamente toda a informação desse
elemento é copiada para um outro que passa a fazer parte da envolvente. Posteriormente podese editar o elemento e proceder às alterações que eventualmente sejam necessárias para
completar a definição do elemento.
É de referir que também aqui, após a duplicação de um elemento, o programa ordena
automaticamente o campo #.
Figura 4.41 – Janela de definição de elemento a duplicar
4.2.5.5 Comando “sair”
Figura 4.42 – Comando “sair”
102
Este comando sai da janela gerenciadora e volta à janela da figura 4.5 – “Dados Gerais do
Projecto”.
4.2.5.6 Comando “ajuda”
Figura 4.43 – Comando “ajuda”
Este comando permite ao utilizador aceder à ajuda disponibilizada pelo programa sempre que
necessário.
4.2.6 Como utilizar o comando de “Ajuda”
O programa disponibiliza a qualquer momento um manual de instruções de preenchimento
dos campos de dados consoante o elemento envolvido. Este manual pode ser acedido através
do item “Ajuda” localizado na barra de menus do programa.
Conforme se pode observar pela figura 4.44, o menu “Ajuda” disponibiliza três tipos de ajuda
fundamentais: o primeiro apresenta aspectos mais generalistas do menu de ajuda,
nomeadamente como utilizar a mesma; o segundo diz respeito ao índice remissivo e ao acesso
à ajuda necessária através de palavras-chave; o terceiro é apresentado através de um índice de
itens ramificados, directamente relacionados entre si, apresentados consoante o nível a que se
encontram dentro do programa.
Figura 4.44 – Aceder aos menus de “Ajuda”
103
4.2.6.1 Como utilizar
Este nível está relacionado com o modo de actuação deste menu. Tal como o nome indica,
serve para o utilizador conhecer o ambiente disponibilizado e respectivo modo de actuação
(Figura 4.45).
Figura 4.45 – Como utilizar a ajuda
4.2.6.2 Índice remissivo
Neste nível é incorporada uma lista de palavras onde se pode ter acesso a todos os elementos
relacionados com o programa. Consoante o elemento analisado (n.d.r. elementos da
envolvente) pode-se aceder a toda a informação disponibilizada pelo programa referente a
esse elemento. Pode-se também aceder a todo o tipo de informação referente ao modo de
configuração do espaço em estudo, nomeadamente a sua definição espacial e dimensional
(Figura 4.46).
104
Figura 4.46 – Menu do índice remissivo
Neste menu tem-se acesso também ao “Índice”, que não é mais que a estratificação dos níveis
necessários para a correcta configuração do espaço (Figura 4.47).
105
Figura 4.47 – Menu do índice
4.2.6.3 Palavra-chave
O utilizador ao seleccionar este nível de ajuda, está a redireccionar a ajuda para uma palavrachave, que está inserida no sistema, e que conduz para o tipo de ajuda necessária consoante a
nossa localização dentro do programa. Deste modo se se estiver a definir, por exemplo, o
elemento da envolvente “cobertura”, ao seleccionar este nível, o programa irá conduzir o
utilizador directamente à ajuda relacionada com o elemento de cobertura (Figura 4.48).
106
Figura 4.48 – Menu de ajuda por palavra-chave
4.2.6.4 Aspecto final da ajuda disponibilizada
Após a selecção do tipo de ajuda mais adequada ao caso em estudo, e definido o respectivo
contexto, obtém-se um quadro com a descrição sucinta da informação mais relevante referente
ao tema abordado. Para concretizar com um exemplo, suponha-se que se está a definir um
elemento de cobertura e que se pretendes aceder ao nível de ajuda por palavra-chave. O
quadro obtido seria o da figura 4.49.
107
Figura 4.49 – Ajuda referente a elemento de cobertura
108
4.2.7 Ficheiros gerados pelo programa
4.2.7.1 Ficheiro de dados
Figura 4.50 – Ficheiro de dados
109
4.2.7.2 Ficheiro de resultados
Devido à sua extensão apenas será exposto uma parte deste ficheiro para efeitos de
apresentação do mesmo. O ficheiro completo poderá ser consultado no capítulo B1.2 do
anexo B.
Figura 4.51 – Ficheiro de resultados
110
CAPÍTULO 5
Aplicação do programa a um caso prático
5.1 Introdução
Uma vez desenvolvido o programa, este foi testado com o objectivo de verificar a sua
eficácia. Para isso, utilizou-se uma simulação efectuada em 1989 numa das células de teste
existentes no campi do INETI no Porto – CAT1 (Célula de Teste 1), por existir informação
bastante detalhada acerca dessas experiências, quer do ponto de vista construtivo e geométrico
quer do ponto de vista climático. A simulação foi feita para um mês de Inverno (Dezembro),
tendo-se obtido a evolução da temperatura ambiente no interior da célula ao longo desse mês,
em função dos valores medidos da temperatura ambiente exterior e da radiação solar incidente
e das características termofísicas da envolvente. Os valores simulados foram posteriormente
comparados com os valores medidos da temperatura ambiente verificada no interior da célula,
para o mesmo período.
A tabela 5.1 mostra-nos as coordenadas da célula estudada no globo terrestre. Estes valores
são necessários para a definição do cálculo dos ângulos solares.
Tabela 5.1 – Coordenadas da CAT1
Latitude
Longitude
41.09º N
8.37º W
5.2 A célula de teste
A célula de teste utilizada neste trabalho fazia parte de um conjunto de seis células de teste
existentes no campi do INETI no Porto.
A célula de teste, como se pode ver na figura 5.1, consiste numa construção monozona, à
escala real, perfeitamente orientada a Sul, e cujas dimensões interiores são as que constam da
tabela 5.2 [40,41]:
Tabela 5.2 – Dimensões da CAT1
Largura (m)
Profundidade (m)
Altura (m)
4.00 m
3.00 m
2.55 m
capítulo 5 aplicação do programa a um caso prático
111
Figura 5.1 – A célula de teste estudada (CAT1)
Na figura 5.2 podem ver-se alguns pormenores (alçado, planta e corte) da CAT1.
SUL
ESTE
1
PLANTA
1'
CORTE 1-1'
Figura 5.2 – Planta, alçados e corte do CAT1
A CAT1 dispunha apenas de um sistema de ganho directo, apresentando o envidraçado uma
área de captação de 3.60m2. A estrutura desta célula de teste consiste no seguinte:
112
Paredes Exteriores – blocos maciços de betão de 20 cm de espessura, revestidos pelo exterior
com 5 cm de isolamento (Dryvit – poliestireno expandido com reboco exterior). A superfície
interior foi regularizada com uma camada de 1.5 cm de reboco. As paredes são pintadas tanto
no interior como no exterior de cor clara (cor creme).
Laje de Pavimento – laje maciça de betão de 20 cm de espessura isolada pelo exterior com
uma camada de 3 cm de espessura de Roofmate (poliestireno extrudido). Esta laje não se
encontra em contacto com o solo de fundação tendo sido feita a elevação da célula para evitar
os problemas resultantes do contacto da laje com o terreno. A superfície interior foi
regularizada com uma camada de 1.5 cm de argamassa sendo a cor final a do cimento
(cinzento).
Laje de Cobertura – laje aligeirada com blocos cerâmicos de 12 cm × 22 cm, separados por
vigotas de betão armado pré-esforçado de 12 cm e cobertos com uma camada de 3 cm de
betão seguida de uma camada de 3 cm de isolamento (placas de poliestireno expandido). A
superfície interior foi regularizada com uma camada de 1.5 cm de reboco pintado de cor clara.
Envidraçado – O vão envidraçado, localizado na fachada Sul, tem 2.29 m de altura e 2.34 m
de largura (dimensões exteriores). A janela, com caixilharia de madeira, é constituída por três
envidraçados com 1.20 m2 cada.
As propriedades térmicas dos materiais e os valores dos coeficientes de convecção,
emissividades e coeficientes de absorção, são as que constam das tabelas 5.3 e 5.4 [40]:
Tabela 5.3 – Propriedades térmicas dos materiais constituintes da envolvente
Material
Betão
Bloco Cerâmico
Barro
Ar
Roofmate
Dryvit
Poliestireno Expandido
Reboco
λ
cp
ρ
(W/mK)
(J/kg K)
(kg/m3)
1.750
1.150
0.023
0.035
0.043
0.035
1.150
880
840
1004.8
1220
1029
1220
836
2100
1800
1.29
33
26
33
1800
113
Tabela 5.4 – Coeficientes de convecção, emissividade e de absorção dos materiais da envolvente
α
Elemento
ε
a
0.82
0.75
0.70
0.70
0.70
0.70
0.33
0.40
0.35
0.65
0.33
0.40
(W/m2K)
Paredes
Exteriores
Laje de
Pavimento
Laje de
Cobertura
Face Ext.
Face Int.
Face Ext.
Face Int.
Face Ext.
Face Int.
25.0
7.8
20.0
7.8
12.0
7.8
Para a simulação da célula de teste era também necessário conhecer o número de renovações
de ar por hora aí verificado. O valor usado foi de 0.30 resultante de medições efectuadas no
decurso de outros estudos [40,41].
3.0cm
20.0cm
1.5cm
20.0cm
1.5cm
12.0cm
3.0cm
3.0cm
Elemento de Pavimento
Elemento de Tecto
5.0cm
1.5cm
Elemento de Parede
Figura 5.3 – Elementos da envolvente
Na tabela 5.5 e 5.6 podem ver-se os coeficientes U dos elementos da envolvente.
Tabela 5.5 – Coeficientes U dos elementos da envolvente
U
Elemento
(W/m2K)
Paredes
Pavimento
Cobertura
0.6919
0.8698
0.8027
114
Tabela 5.6 – Espessura e coeficiente U do vidro
Elemento
Vidro
espessura
U
(mm)
(W/m2K)
5.0
5.9
5.3 Recolha de dados
O comportamento da célula foi simulado para um mês de Inverno, Dezembro de 1989,
durante o qual os valores horários da temperatura ambiente exterior e da radiação solar global
em superfície vertical orientada a Sul foram medidos por uma sonda de temperatura e um
piranómetro pertencentes a uma estação meteorológica montada no campi do INETI, junto às
células de teste. Os valores horários da temperatura ambiente efectivamente verificada no
interior da CAT1 encontravam-se disponíveis para o mesmo período, tendo sido medidos por
um termopar do tipo T colocado no interior da célula a meio do compartimento. Todos os
sensores foram calibrados individualmente [42].
O mês de Dezembro foi escolhido por ser o mês que apresentava menos falhas nos valores
horários medidos, quer das temperaturas ambientes, quer da radiação solar incidente.
5.4 Validação do modelo matemático desenvolvido
Uma vez conhecidas as características geométricas da célula, as propriedades termofísicas dos
elementos pertencentes à sua envolvente e os valores horários das solicitações exteriores, é
possível determinar a evolução da temperatura no interior da célula de teste. Para o fazer é
também necessário conhecer, para cada um dos elementos pertencentes à envolvente, a
equação característica desse elemento que relacione o calor nele armazenado em vinte e
quatro horas com a energia solar incidente e com a amplitude térmica diária verificada no
espaço em estudo. Para a CAT1, essas equações, encontravam-se disponíveis em [2,34,37]:
Parede Exterior a receber radiação apenas na face interior:
Qarm = −0.0029∆TRi + 0.1471Ri + 0.0910∆T + 0.0783
( MJ / m 2 )
(5.1)
( MJ / m 2 )
(5.2)
Laje de Pavimento:
Qarm = −0.0053∆TRi + 0.3326 Ri + 0.0944∆T + 0.0971
115
Laje de Cobertura:
Qarm = 0.1256∆T + 0.1423
( MJ / m 2 )
(5.3)
Uma vez todos estes elementos disponíveis, foi simulado o comportamento da célula de teste
para o mês de Dezembro de 1989. Os resultados obtidos por simulação e os medidos no
interior da célula podem ser observados na figura 5.4. Observando os resultados, verifica-se
que os valores obtidos por simulação possuem um andamento semelhante aos valores
medidos e, tendo em conta as diversas simplificações efectuadas, e uma vez que se trata de
um método aproximado, os resultados obtidos parecem bastante satisfatórios dado que o erro
relativo médio obtido foi de 1.70ºC.
25
Temperatura (ºC)
20
15
10
5
0
8016
8091
8166
8241
8316
8391
8466
8541
8616
8691
Período de Simulação (horas)
Tint. M edição
Tint. Simulação
Figura 5.4 – Gráfico comparativo entre os valores da temperatura medida e simulada na CAT1
Na figura 5.4 são apresentados os valores da evolução da temperatura ambiente ao longo do
tempo. No entanto, é também interessante conhecer a capacidade térmica efectiva desse
espaço, que é um parâmetro que vai depender da amplitude térmica aí verificada. Na figura
5.5 e 5.6 pode-se observar, para o caso estudado, a variação do Ceff ao longo do período de
simulação, e na figura 5.7 a variação do Ceff com a amplitude térmica para toda a envolvente.
Pela análise deste último gráfico, podemos verificar que quanto menor for o valor do Ceff,
maior é a amplitude térmica verificada.
116
70
60
Ceff (MJ/ºC)
50
40
30
20
10
0
8016
8091
8166
8241
8316
8391
8466
8541
8616
8691
Ceff
Figura 5.5 – Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (horas)
40
35
Ceff (MJ/ºC)
30
25
20
15
10
5
0
335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363
Período de Simulação (dias)
Ceff
Figura 5.6 – Evolução do Ceff ao longo do período de simulação (dias)
100
Ceff (MJ/ºC)
75
50
25
0
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
Amplitude Térmica (ºC)
Ceff
Figura 5.7 – Variação do Ceff com a amplitude térmica
117
Com o método implementado, como a capacidade térmica efectiva da envolvente do espaço
não climatizado depende das solicitações a que está submetida, é um parâmetro variável no
tempo. Ao contrário de outros estudos [31,32,33,43] que associam a capacidade de
armazenamento apenas às características termofísicas da envolvente, e por isso apresentam
um valor único constante característico do espaço, com o método desenvolvido, o Ceff varia,
para cada instante, com as flutuações da temperatura ambiente interior e com o valor da
radiação solar incidente, como se pode observar respectivamente nas figuras 5.8 e 5.9 para o
caso estudado relativo ao mês de Dezembro.
70
25
60
20
15
40
30
10
Ceff (MJ/ºC)
Temperatura (ºC)
50
20
5
10
0
0
8016
8091
8166
8241
8316
8391
8466
8541
8616
8691
Tint. Simulação
Tint. M edição
Ceff
Figura 5.8 – Capacidade térmica efectiva e temperatura ambiente interior
1000
70
900
60
50
700
600
40
500
30
400
300
Ceff (MJ/ºC)
Radiação Solar (W/m2)
800
20
200
10
100
0
8016
0
8091
8166
8241
8316
8391
8466
8541
8616
8691
Radiação exterior
Ceff
Figura 5.9 – Capacidade térmica efectiva e radiação solar exterior
118
CAPÍTULO 6
Conclusões
6.1 Conclusões gerais
Nos últimos anos, o número de aparelhos de ar condicionado tem vindo a aumentar nos países
do Sul da Europa. Este facto cria importantes dificuldades nas horas de ponta, problema que,
tem por consequência, um aumento do preço da energia eléctrica e uma deterioração do
equilíbrio energético nesses países, para além de negativas consequências para o meio
ambiente. Consequentemente, deverá ser dada prioridade a estratégias, que contribuam para
melhorar o comportamento térmico dos edifícios durante o Verão. Concretamente, devem
desenvolver-se ainda mais as técnicas de arrefecimento passivo, principalmente as que
contribuem para melhorar a qualidade do clima interior e o microclima em torno dos edifícios.
Dado o impacto, que a longo prazo os edifícios vão ter em termos de consumo de energia, os
novos edifícios deverão cumprir requisitos mínimos de desempenho energético, adaptados às
condições climáticas locais. As boas práticas deverão, neste contexto, orientar-se para a
melhor utilização possível de factores relevantes para reforçar o desempenho energético.
Como a aplicação de sistemas alternativos de fornecimento de energia não está, em geral,
aproveitada no seu máximo potencial, justifica-se uma avaliação da viabilidade técnica,
ambiental e económica desses sistemas.
Também as grandes obras de renovação de edifícios existentes, acima de uma determinada
dimensão, devem ser consideradas uma oportunidade para tomar medidas economicamente
rentáveis de melhoria do desempenho energético. Todavia, a melhoria do desempenho
energético global de um edifício existente, não significa necessariamente a renovação total do
mesmo, podendo limitar-se aos componentes que são mais importantes para o seu
desempenho energético e que são economicamente rentáveis, pelo que a existência de
ferramentas que permitam a avaliação das melhores soluções construtivas sob o ponto de vista
de uma análise térmica comparativa também aqui assumem grande importância. Essa
avaliação pode ser efectuada através de um estudo, que resultará numa lista de medidas de
conservação da energia para condições médias do mercado local, que satisfaçam critérios de
rentabilidade económica. Antes do arranque da construção, poderão ser necessários estudos
específicos caso a medida, ou medidas, sejam consideradas viáveis.
capítulo 6 conclusões
119
Do ponto de vista do aproveitamento global da energia solar (activa e passiva), as diversas
soluções disponíveis no mercado, algumas simples e de baixo custo, outras mais complexas e
dispendiosas, poderiam originar a redução significativa dos consumos energéticos (térmicos)
nos edifícios, desde que estes sejam planeados de raiz e sustentávelmente. Mesmo para os
edifícios já existentes é sempre possível encontrar soluções de forma a reduzir os custos
energéticos.
Neste sentido, a dimensão e âmbito do universo dos edifícios, requer uma forte mobilização
politica que, por sua vez, é um indicador insofismável de uma sensibilidade politica
ambientalmente responsável.
Com o intuito da redução do consumo energético nos edifícios em Portugal, será brevemente
publicada a revisão do RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico
dos Edifícios) assim como implementada a certificação energética dos edifícios no âmbito do
Programa para a Eficiência Energética em Edifícios – P3E, promovido pela DGGE (Direcção
Geral de Geologia e Energia) e apoiado pelo POE (Plano Operacional da Economia), tem
como objectivo final a melhoria da eficiência energética dos edifícios em Portugal. Este
programa, definiu um conjunto de actividades estratégicas a desenvolver no muito curto
prazo, algumas delas de índole inovador, por forma a moderar a actual tendência de
crescimento dos consumos energéticos nos edifícios e, consequentemente, o nível das
emissões dos Gases de Efeito de Estufa (GEE) que lhes são inerentes.
Mais uma vez a aplicação das Energias Renováveis, neste caso a Energia Solar, aliadas a
utilização racional da energia, revela-se como um dos principais meios para a redução dos
consumos energéticos e para o cumprimento das metas estabelecidas no protocolo de Quioto.
O cumprimento destas políticas energéticas, coloca constantes desafios aos projectistas que,
para efectuarem a análise e o projecto de edifícios energeticamente eficientes, necessitam de
saber quais as condições térmicas preferidas pelo Homem e ao mesmo tempo compreender a
influência que as diversas tipologias dos edifícios têm na obtenção dessas condições. É, por
isso, importante que disponham de métodos de previsão do comportamento térmico dos
edifícios e de avaliação do conforto térmico dos mesmos. Foi na procura de instrumentos de
análise e avaliação, que procurassem a aplicabilidade das políticas de desempenho energético
definidas no âmbito das directivas europeias e dos planos nacionais, sob a forma de uma
interface gráfica mais clara e simples, que surgiu o presente trabalho. Através da utilização da
ferramenta que se propõe, e perante a observação dos resultados obtidos, pode-se concluir que
120
se está perante um modelo que responde de forma bastante favorável aos objectivos e
desígnios traçados para a obtenção de um modelo simplificado, que reproduzisse as condições
térmicas de um determinado espaço fechado. É de referir ainda que, as condições reais
verificadas, jamais em circunstância alguma poderão ser rigorosamente simuladas, devido aos
inúmeros condicionalismos existentes quer em termos físicos quer em termos climáticos.
Deste modo, o desvio médio de 1.70ºC obtido relativamente à temperatura interior registada
na célula CAT1, pode ser considerado aceitável dentro dos pressupostos estabelecidos para
este modelo, tendo em conta as diversas simplificações efectuadas, e uma vez que se trata de
um método aproximado.
Em termos de aplicação prática, este programa pretende criar uma “interface” simples e clara
na análise térmica de soluções construtivas, de modo a compatibilizá-lo com as ferramentas
de projecto e/ou de desenho utilizadas pelos projectistas, de modo a poder-se simplificar a
avaliação térmica dos edifícios quer na fase de projecto quer na fase de estudo da melhoria
das suas condições climáticas, através da avaliação da influência de diferentes parâmetros
(orientação do edifício e dos envidraçados, sombreamentos, tipos de componentes, diferentes
elementos construtivos, etc.) no desempenho térmico do edifício.
6.2 Perspectivas de trabalho futuro
É claro que se está ainda perante um programa na sua versão inicial, limitado pela análise de
um único espaço, e em que a sua definição está sujeita a diversos condicionalismos, pelo que,
as próximas versões, abordarão sobretudo, além do aspecto gráfico, o alargamento do âmbito
da aplicação a um conjunto mais vasto de edifícios, em que a análise será efectuada
simultaneamente a diversos espaços, confinantes entre si, e com uma gama mais vasta de
opções para definição da envolvente. Apesar da interface gráfica aparecer significativamente
melhorada neste programa, comparativamente, as futuras versões deverão alargar a sua base
gráfica para uma maior definição e rigor de todos os elementos da envolvente, permitindo
estudar, por exemplo, a planta de um andar de um edifício no seu conjunto.
121
Referências bibliográficas
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Simulation", Porto, FEUP, 1989.
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de Doutora em Eng.ª Mecânica, Universidade do Porto, 1995.
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Environmental Technologies) and the E.V.A; "www.energytech.at", Austria, 2003.
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Comunidade Europeia"; COM (2000) 0247 da Comissão da Indústria, do Comércio
Externo, da Investigação e da Energia, Bruxelas, 29 de Setembro de 2000.
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Manuela Guedes de Almeida, Luís Bragança, José F. G. Mendes, Sandra Silva; "Layout
Urbano em Função da Eficiência Energética dos Edifícios", Planeamento Integrado:
Workshop realizado dentro do acordo de Cooperação Cientifica Luso-Brasileira
GRICES-CAPES, Universidade do Minho, Janeiro de 2004.
[8]
Manuela Guedes de Almeida, Luís Bragança; "Construção Sustentável – do Projecto à
Utilização do Edifício", Universidade do Minho, Julho de 2004.
[9]
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para a Gestão da Energia”, Direcção Geral de Energia, 1993.
[10] Correia Guedes, M; “Thermal Comfort and Passive Cooling Design in Southern
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Cambridge, 2000.
[11] Thomas, R; “Environmental design: an introduction for architects and engineers”, E &
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A1 – Calor armazenado por elementos construtivos típicos dos edifícios de
Portugal, em função da amplitude térmica e da energia solar incidente
As correlações matemáticas entre as três variáveis, calor armazenado (Qarm), amplitude
térmica diária (∆T) e energia solar incidente na face interior (Ri), podem ser apresentadas,
para todos os elementos construtivos de acordo com a equação:
Qarm = A∆TRi + BRi + C∆TRi + DRi + E∆T + F
2
2
( MJ / m 2 )
Para uma consulta mais fácil, os coeficientes desta equação são apresentados em forma de
tabelas, para vários elementos construtivos. Estes coeficientes permitem calcular o calor
armazenado em função da amplitude térmica diária verificada no interior de um espaço ou
edifício e a energia solar incidente.
anexo A
134
Tabela A1.1 – Calor armazenado no período de 24 horas por paredes interiores, em função
da amplitude térmica e da energia solar incidente.
Paredes submetidas a simetria de condições de fronteira, relativamente à temperatura.
Coeficientes A, B, C, D, E e F da equação:
Qarm =A ∆TRi2 + B Ri2 + C ∆TRi2 + D Ri + E ∆T + F
Elemento construtivo: Paredes interiores
tijolo furado de 11cm de espessura, faces revestidas
com 1.5cm de reboco
com 1cm de reboco e 0.5cm de estuque tradicional
com 1.5cm de reboco
com 1.5cm de reboco
blocos maciços de betão normal de 7cm de
espessura, faces revestidas com 1.5cm de reboco
(MJ/m2).
A
B
C
D
E
F
0.0011
-0.0110
-0.0133
0.1731
0.1129
0.0081
0.0011
-0.0089
-0.0118
0.1323
0.1047
0.0070
0.0008
-0.0102
-0.0098
0.1553
0.0979
0.0381
0.0015
-0.0113
-0.0186
0.1899
0.1340
-0.0284
0.0018
-0.0136
-0.0222
0.2284
0.1586
-0.0550
0.0005
-0.0061
-0.0063
0.0949
0.0612
0.0287
0.0007
-0.0065
-0.0087
0.1055
0.0711
0.0096
0.0009
-0.00665
-0.0117
0.1148
0.0827
-0.0131
0.0014
-0.0127
-0.0175
0.2072
0.1363
-0.0208
0.0010
-0.0095
-0.0122
0.1548
0.1005
0.0116
blocos maciços de betão celular autoclavado de
10cm de espessura, faces revestidas com 0.5cm de
estuque projectado
estuque projectado
estuque projectado
blocos de betão normal (50.20.10) de 10cm de
espessura, (NFH=4, NFV=1), faces revestidas com
1.5cm de reboco
blocos de betão normal (50.20.10) de 10cm de
espessura, (NFH=4, NFV=1), faces revestidas com
1.5cm de reboco
anexo A
135
Tabela A1.2 – Calor armazenado no período de 24 horas por lajes interiores, em função da
amplitude térmica e da energia solar incidente.
Elemento construtivo: lajes interiores
(MJ/m2)
A
B
C
D
E
F
0.0039
-0.0250
-0.0436
0.3877
0.2463
-0.1614
0.0036
-0.0235
-0.0412
0.3950
0.2035
-0.1644
0.0039
-0.0262
-0.0419
0.3811
0.2196
-0.1548
0.0034
-0.0231
-0.0379
0.3774
0.1790
-0.1493
0.0035
-0.0247
-0.0365
0.3508
0.1891
-0.1297
0.0038
-0.0230
-0.0459
0.3918
0.2710
-0.1823
0.0036
-0.0235
-0.0395
0.3548
0.2048
-0.1493
0.0031
-0.0208
-0.0346
0.3549
0.1621
-0.1434
0.0043
-0.0277
-0.0480
0.4189
0.2607
-0.1790
0.0036
-0.0255
-0.0380
0.3621
0.1975
-0.1351
0.0032
-0.0227
-0.0348
0.3627
0.1610
-0.1384
a) blocos cerâmicos e vigotas de betão armado
pré-esforçado
blocos de 22x12 cm, vigotas de 11cm. Revestimento
de piso: 1cm de ladrilho cerâmico
b) blocos de betão leve e vigotas de betão armado
pré-esforçado
de piso: 2cm de madeira
anexo A
136
0.0033
-0.0271
-0.0336
0.3593
0.1849
-0.1043
0.0037
-0.0236
-0.0418
0.3661
0.2267
-0.1577
0.0031
-0.0206
-0.0364
0.3632
0.1805
-0.1538
0.0034
-0.0249
-0.0356
0.3510
0.1898
-0.1272
0.0026
-0.0206
-0.0276
0.3308
0.1216
-0.0044
0.0041
-0.0256
-0.0480
0.4105
0.2678
-0.1821
0.0029
-0.0233
-0.0313
0.3236
0.1682
-0.1092
0.0032
-0.0210
-0.0359
0.3188
0.1871
-0.1333
c) blocos de betão normal e vigotas de betão
armado pré-esforçado
blocos de 38x16 cm, duplo, vigotas de 11cm.
Revestimento de piso: 1cm de ladrilho cerâmico
d) blocos de maciços de betão celular autoclavado
e vigotas de betão armado pré-esforçado
anexo A
137
Tabela A1.3 – Calor armazenado no período de 24 horas por lajes de pavimento sobre
espaços interiores não aquecidos, em função da amplitude térmica e da energia solar
incidente.
Elemento construtivo: lajes sobre espaços não úteis
(MJ/m2)
A
B
C
D
E
F
0.0033
-0.0230
-0.0375
0.3956
0.1621
0.0328
0.0024
-0.0213
-0.0269
0.3889
0.0978
0.0437
0.0039
-0.0267
-0.0471
0.4973
0.2173
0.0325
0.0031
-0.0267
-0.0353
0.4984
0.1292
0.0460
0.0028
-0.0217
-0.0305
0.3431
0.1281
0.0391
0.0020
-0.0191
-0.0219
0.3362
0.0796
0.0453
0.0024
-0.0208
-0.0265
0.3807
0.0961
0.0427
0.0021
-0.0190
-0.0225
0.3374
0.0819
0.0449
0.0029
-0.0218
-0.0313
0.3469
0.1319
0.0385
pré-esforçado
blocos de 22x16 cm, duplo, vigotas de 11cm.
Revestimento de piso: 1cm de ladrilho cerâmico
pré-esforçado
anexo A
138
0.0029
-0.0216
-0.0305
0.3429
0.1289
0.0377
0.0020
-0.0187
-0.0219
0.3320
0.0798
0.0439
anexo A
139
Tabela A1.4 – Calor armazenado no período de 24 horas por lajes de cobertura sob espaços
interiores não aquecidos, em função da amplitude térmica e da energia solar incidente.
Elemento construtivo: lajes de cobertura
(MJ/m2)
A
B
C
D
E
F
-
-
-
-
0.1256
0.1423
-
-
-
-
0.1122
0.1353
-
-
-
-
0.1066
0.1332
-
-
-
-
0.0886
0.1229
-
-
-
-
0.0779
0.1171
-
-
-
-
0.1242
0.1114
-
-
-
-
0.1108
0.1057
-
-
-
-
0.1051
0.1040
-
-
-
-
0.0871
0.0958
pré-esforçado
blocos de 22x12 cm, vigotas de 11cm e 3cm
poliestireno expandido, 3cm de betão e 1cm de
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
anexo A
140
-
-
-
-
0.0764
0.0911
-
-
-
-
0.1230
0.0852
-
-
-
-
0.1095
0.0807
-
-
-
-
0.1039
0.0793
-
-
-
-
0.0858
0.0726
-
-
-
-
0.0751
0.0689
-
-
-
-
0.1277
0.1180
-
-
-
-
0.1137
0.1112
-
-
-
-
0.0892
0.0990
-
-
-
-
0.1189
0.1150
-
-
-
-
0.0969
0.1029
-
-
-
-
0.0840
0.0954
-
-
-
-
0.0871
0.0958
reboco
poliuretano expandido, 3cm de betão e 1cm de
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
anexo A
141
-
-
-
-
0.0848
0.0965
-
-
-
-
0.0961
0.0970
-
-
-
-
0.1330
0.1154
-
-
-
-
0.1039
0.1021
-
-
-
-
0.0940
0.0983
-
-
-
-
0.0827
0.0934
-
-
-
-
0.0932
0.1002
-
-
-
-
0.0930
0.0998
-
-
-
-
0.2059
0.1552
-
-
-
-
0.1360
0.1214
reboco
reboco
pré-esforçado
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
laje dupla, blocos de 22x12 cm, vigotas de 11cm e
4cm poliestireno expandido, 3cm de betão e 1cm de
reboco
reboco
anexo A
142
-
-
-
-
0.1011
0.0941
-
-
-
-
0.0943
0.0936
-
-
-
-
0.0831
0.0895
-
-
-
-
0.0933
0.0962
-
-
-
-
0.1308
0.1149
-
-
-
-
0.0776
0.0939
-
-
-
-
0.0774
0.0942
reboco
reboco
reboco
reboco
reboco
d) blocos maciços de betão celular autoclavado e
vigotas de betão armado pré-esforçado
reboco
reboco
anexo A
143
Tabela A1.5 – Calor armazenado no período de 24 horas por pano interior de parede dupla,
em função da amplitude térmica e da energia solar incidente. Na caixa de ar, são aplicados
4cm de poliestireno expandido, colados ao pano interior. Radiação solar incidente na face
interior.
Elemento construtivo: paredes duplas
tijolo furado de 11cm de espessura, faces interior
revestida com 1.5cm de reboco
tijolo furado de 15cm de espessura, faces interior
revestida com 1.5cm de reboco
tijolo furado de betão normal de 10cm de espessura,
faces interior revestida com 1.5cm de reboco
tijolo furado de betão leve de 15cm de espessura,
faces interior revestida com 1.5cm de reboco
(MJ/m2)
A
B
C
D
E
F
0.0008
-0.0099
-0.0094
0.1788
0.0633
0.0521
0.0010
-0.0098
-0.0120
0.1825
0.0679
0.0347
0.0011
-0.0116
-0.0138
0.2162
0.0804
0.0188
0.0005
-0.0083
-0.0065
0.1435
0.0464
0.0724
anexo A
144
Tabela A1.6 – Calor armazenado no período de 24 horas por paredes exteriores simples
isoladas pelo exterior, em função da amplitude térmica e da energia solar incidente. Na caixa
de ar, são aplicados 4cm de poliestireno expandido, no caso da parede de tijolo de 22cm, e de
3cm no caso da parede de blocos maciços.
(MJ/m2)
Qarm =A ∆TRe2 + B Re2 + C ∆TRe2 + D Re + E ∆T + F
(MJ/m2)
Elemento construtivo: paredes exterior simples
com 1.5cm de reboco. Radiação solar na face interior
A
B
C
D
E
F
0.0011
-0.0094
-0.0133
0.1811
0.0688
0.0773
-
-
-0.0001
0.0032
0.0687
0.1203
-
-
-0.0084
0.1629
0.1289
0.0225
-
-
-0.0005
0.0056
0.1390
-0.0051
com 1.5cm de reboco. Radiação solar na face
exterior.
Blocos maciços de betão normal de 20cm de
espessura, faces revestidas com 1.5cm de reboco.
Radiação solar na face interior.
Blocos maciços de betão normal de 20cm de
espessura, faces revestidas com 1.5cm de reboco.
Radiação solar na face exterior.
anexo A
145

Modelo Simplificado de Previsão do Comportamento

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