agradecimentos · tabela 51 – resumo dos resultados do estudo sobre os ganhos internos ... figura...
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Agradecimentos
Termina agora aqui um longo caminho que nem sempre foi fácil, principalmente para os que me
acompanharam, pelo que gostaria de agradecer à minha família, os meus pais Ana e Filipe, irmãos
Mariana e Pedro e Avó Maria, mas também à Inês pela compreensão quando o trabalho era mais
intenso.
No desenvolvimento desta dissertação gostaria de agradecer a ajuda da tia Maria Luísa com os
conhecimentos de inglês bem como ao Luís.
Para o fim, mas muito importante, fica o sincero agradecimento ao Professor A. Moret Rodrigues pela
paciência, dedicação, grande empenho e bastante tempo perdido na explicação exaustiva do
programa e de todos os ensinamentos.
ii
Resumo
Num contexto actual em que as preocupações ambientais acompanham as económicas, a sociedade
procura minimizar impactes e reduzir custos, mas sempre sem perder qualidade de vida. As
condições de conforto mínimas em edifícios são já um requisito obrigatório nos vários regulamentos
europeus, de forma, não só a melhorar condições de habitabilidade, mas também evitar o aumento
da factura energética.
As medidas implementadas pelas directivas europeias passam principalmente por controlar princípios
construtivos, ignorando por vezes a especificidade do funcionamento dos edifícios. Este trabalho
procura caracterizar condições de funcionamento dos edifícios mais próximas das reais, avaliando o
impacte em termos de temperatura que determinados comportamentos podem causar e o significado
desse impacte em termos económicos.
Após análise dos conceitos da térmica de edifícios é possível observar que os factores que
condicionam o comportamento térmico de zonas fechadas são principalmente os ganhos internos, as
renovações de ar e os ganhos solares pelos envidraçados. Estes factores apresentam uma grande
influência por parte dos utilizadores finais e portanto interessam ser avaliados no contexto deste
trabalho.
O estudo destes factores foi realizado por intermédio de simulações que comparam diferentes
comportamentos com simulações paramétricas baseadas nos valores do RCCTE. Os resultados
obtidos permitem verificar que os valores definidos no regulamento se encontram ligeiramente
afastados dos obtidos quando se tem em consideração o factor humano. São notórias as variações
das condições interiores que se obtêm, apenas com ligeiras alterações de comportamento, revelando
a grande influência das condições reais de funcionamento no comportamento térmico de edifícios.
Palavras-chave: Comportamento térmico; Edifícios; Influência de condições de utilização; Ganhos internos; Ventilação Natural; Ganhos solares; EnergyPlus.
iii
Abstract
Regarding the actual context where the environmental concerns go along with the economical ones,
the society tries to minimize the impacts and reduce costs, but always without compromising quality of
life. Standard comfort conditions in buildings are already required in the various European regulations,
not only to improve interior air quality, but also to avoid the rise of the energetic costs.
The measures developed and implemented by the European rules control constructive principles,
ignoring sometimes the specificity of the buildings behaviour. This thesis tries to characterize the more
realistic user behaviour conditions, evaluating the formal impact that certain behaviours can cause in
the inside mean air temperature and the economical significance of that impact.
After analysing some of buildings thermal concepts, it is possible to note that the factors that stipulate
the thermal behaviour of buildings are mainly the internal gains, the natural ventilation and the solar
heat gains through the windows. The building users have a great influence on these factors, and
therefore, they must be considered in the context of this work.
The study of the referred parameters was accomplished through several realistic simulations, which
compare different behaviours, with parametric simulations based on the national regulation values,
RCCTE. The results show that the values obtained with the application of RCCTE are slightly different
from the obtained values considering human factors. The impact of small behaviour alterations in the
actual conditions of use is significant in the thermal behaviour of buildings, revealing the great
influence of the real user conditions in the thermal behaviour of buildings.
Keywords: Thermal Behaviour; Buildings; Actual conditions of use; Internal gains; Natural ventilation;
Solar heat gains; EnergyPlus.
iv
Índice
1. Introdução ..................................................................................................................................1
1.1. Enquadramento...................................................................................................................1
1.2. Objectivos/Motivações ........................................................................................................2
1.3. Metodologia e estrutura 2
2. Conceitos sobre os fenómenos de transmissão de calor em edifícios...........................................3
2.1. Variáveis individuais e ambientais, de zonas habitacionais ...................................................3
2.1.1. Conforto térmico .........................................................................................................3
2.1.2. Temperatura do ar .......................................................................................................5
2.1.3. Humidade ....................................................................................................................5
2.1.4. Ventilação Natural .......................................................................................................6
2.2. Fenómenos de transmissão de calor ....................................................................................7
2.2.1. Condução.....................................................................................................................8
2.2.2. Convecção ...................................................................................................................8
2.2.3. Radiação ......................................................................................................................9
3. Comportamento térmico de edifícios ........................................................................................ 10
3.1. Factores com influência no comportamento térmico dos edifícios ..................................... 11
3.2. Interferência dos utilizadores nas condições padrão de funcionamento dos edifícios ........ 12
3.2.1. Ganhos de calor internos ........................................................................................... 13
3.2.2. Ventilação Natural ..................................................................................................... 15
3.2.3. Ganhos solares .......................................................................................................... 18
4. Apresentação do programa ....................................................................................................... 19
4.1. Valores de entrada para o EnergyPlus ................................................................................ 22
4.1.1. Parâmetros de simulação ........................................................................................... 22
4.1.2. Cálculo das trocas de energia ..................................................................................... 22
4.1.3. Fluxo de ar ................................................................................................................. 23
4.1.4. Elementos de construção da envolvente .................................................................... 27
4.1.5. Descrição e caracterização das zonas e superfícies térmicas....................................... 28
4.1.6. Localização e clima..................................................................................................... 28
4.1.7. Calendários ................................................................................................................ 29
4.1.8. Ganhos internos......................................................................................................... 29
4.1.9. Mecanismos de climatização ...................................................................................... 30
5. Simulações ................................................................................................................................ 32
v
5.1. Modelo Base ..................................................................................................................... 33
5.1.1. Ganhos internos......................................................................................................... 34
5.1.2. Ventilação natural - Renovação do ar ......................................................................... 34
5.1.3. Ganhos solares .......................................................................................................... 34
5.1.4. Características geométricas ....................................................................................... 35
5.2. Ganhos internos ................................................................................................................ 37
5.2.1. Impacte na temperatura do ar interior ....................................................................... 39
5.2.2. Impacte nos consumos energéticos ........................................................................... 43
5.3. Ventilação natural ............................................................................................................. 45
5.3.1. Impacte na temperatura média do ar interior no verão .............................................. 48
5.3.2. Impacte na temperatura média interior do ar no Inverno........................................... 52
5.3.3. Impacte nos consumos energéticos no Verão............................................................. 55
5.4. Ganhos solares .................................................................................................................. 57
5.4.1. Impacte na temperatura média do ar interior ............................................................ 58
5.4.2. Impacte nos consumos energéticos ........................................................................... 61
5.5. Simulação Geral ................................................................................................................. 62
5.5.1. Variação da temperatura média interior .................................................................... 63
5.5.2. Consumos energéticos ............................................................................................... 66
6. Conclusões ................................................................................................................................ 67
7. Referências bibliográficas .......................................................................................................... 73
vi
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Descrição das simulações realizadas .................................................................................3
Tabela 2 - Tabela resumo dos ganhos internos, recolhidos de várias fontes ...................................... 14
Tabela 3 - Aberturas possíveis .......................................................................................................... 24
Tabela 4 - Factores modeladores da temperatura ............................................................................. 25
Tabela 5 - Dimensões das janelas .................................................................................................... 25
Tabela 6 - Parâmetros característicos dos aparelhos de climatização ............................................... 31
Tabela 7 - Valores base definidos pelo RCCTE ................................................................................. 33
Tabela 8 - Datas das simulações ...................................................................................................... 33
Tabela 9 - Tipos de protecções solares e respectivos factores solares .............................................. 35
Tabela 10 - Valores dos parâmetros em estudo ................................................................................ 35
Tabela 11 - Simulação sem ganhos internos ..................................................................................... 37
Tabela 12 - Simulação Base ............................................................................................................. 38
Tabela 13 – Simulação com ganhos reais baixos .............................................................................. 38
Tabela 14 - Simulação com ganhos reais médios .............................................................................. 38
Tabela 15 - Simulação com ganhos reais altos.................................................................................. 39
Tabela 16 - Temperaturas interiores na estação de aquecimento ...................................................... 42
Tabela 17 - Temperaturas interiores na estação de arrefecimento ..................................................... 42
Tabela 18 - Consumo energético com aquecimento .......................................................................... 43
Tabela 19 - Consumo energético para arrefecimento ........................................................................ 43
Tabela 20 – Consumo energético anual para climatização ................................................................ 44
Tabela 21 - Diminuição percentual dos custos em relação à situação mais desfavorável ................... 45
Tabela 22 - Simulação sem ventilação .............................................................................................. 46
Tabela 23 - simulação Base (RCCTE) ............................................................................................... 46
Tabela 24 - Ventilação ocupação nocturna ........................................................................................ 46
Tabela 25- Ventilação cruzada para ocupação nocturna ................................................................... 46
Tabela 26 - ventilação com temperatura interior superior a 20ºC ....................................................... 47
Tabela 27 - Ventilação que conjuga ocupação com a temperatura .................................................... 47
Tabela 28 - Ventilação em período de desocupação ......................................................................... 47
Tabela 29 - Valores dos caudais de renovação ................................................................................. 47
Tabela 30 - Temperaturas interiores dos vários casos. ...................................................................... 49
Tabela 31 - Simulação sem ventilação .............................................................................................. 53
Tabela 32 - Simulação Base (RCCTE) .............................................................................................. 53
Tabela 33 - Ventilação em período diurno ......................................................................................... 53
Tabela 34 - Caudais de renovação .................................................................................................... 53
Tabela 35 - Temperaturas do ar interior na estação de aquecimento ................................................. 54
Tabela 36 - Consumos da climatização para as simulações da ventilação ......................................... 55
Tabela 37 - Variação dos custos em relação à situação mais desfavorável ....................................... 56
vii
Tabela 38 – Simulação protecções sempre OFF ............................................................................... 57
Tabela 39 – Simulação Base (RCCTE) ............................................................................................. 57
Tabela 40 - Simulação protecções sempre ON.................................................................................. 57
Tabela 41 - Simulação protecções activas sem ocupação ................................................................. 58
Tabela 42 - Simulação com controlo da temperatura ......................................................................... 58
Tabela 43 - Simulação das protecções exteriores como elementos de segurança/oclusão ................ 58
Tabela 44 - Temperaturas interiores das várias simulações .............................................................. 58
Tabela 45 - Consumos totais com climatização ................................................................................. 61
Tabela 46 - comparação dos custos em relação à situação mais desfavorável .................................. 62
Tabela 47 - Parâmetros das simulações Globais ............................................................................... 63
Tabela 48 - Temperaturas interiores.................................................................................................. 63
Tabela 49 - Consumo energético para os dois funcionamentos do sistema de climatização .............. 66
Tabela 50 - Variação dos consumos energéticos .............................................................................. 67
Tabela 51 – Resumo dos resultados do estudo sobre os ganhos internos ......................................... 68
Tabela 52 – Resumo dos resultados obtidos para o estudo da ventilação natural .............................. 70
Tabela 53 – Resumos dos resultados obtidos para as simulações do estudo dos ganhos solares ..... 70
viii
Índice de Figuras
Figura 1 - Divisão percentual de ganhos e perdas de um fogo para a estação de aquecimento. ........ 11
Figura 2 - Esquema representativo das principais trocas de calor num edifício .................................. 12
Figura 3 - Imagem foto térmica de uma habitação ............................................................................. 13
Figura 4 - Percurso e temperatura de um fluxo de ar numa sala sem janela,. .................................... 16
Figura 5 - Percurso e temperatura de um fluxo de ar numa sala com uma janela, ............................. 16
Figura 6 - Relação entre a temperatura exterior e a abertura de janelas. ........................................... 17
Figura 7 - Relação da abertura de janelas com o período do dia e da ocupação, durante 30 dias de
trabalho no verão de 2003. ............................................................................................................... 17
Figura 8 - Modelo de funcionamento do programa............................................................................. 20
Figura 9 - Função que controla a abertura de janelas controladas pela temperatura .......................... 25
Figura 10 - Características das janelas a introduzir no programa ....................................................... 26
Figura 11 - Factores multiplicativos da área de abertura .................................................................... 26
Figura 12 - Propriedades dos materiais utilizados.............................................................................. 27
Figura 13 - Constituição dos elementos construtivos ......................................................................... 27
Figura 14 - Imagem 3D das zonas caracterizadas no programa ........................................................ 28
Figura 15 – Alçado principal e planta de arquitectura do edifício em estudo....................................... 36
Figura 16 - Planta com os vértices utilizados para a introdução de dados no programa e respectivo
alçado ............................................................................................................................................... 36
Figura 17 – Gráfico da variação dos ganhos internos ao longo do dia ............................................... 39
Figura 18 - Diferença das temperaturas entre as várias simulações na estação de aquecimento ....... 40
Figura 19 - Diferença das temperaturas entre as várias simulações na estação de arrefecimento ..... 40
Figura 20 - Valor das temperaturas, na estação de aquecimento, das simulações com ganhos
internos ............................................................................................................................................. 41
Figura 21 - Valor das temperaturas, na estação de arrefecimento, das simulações com ganhos
internos ............................................................................................................................................. 41
Figura 22 - Variação dos custos com aquecimento............................................................................ 43
Figura 23 - Variação dos custos com arrefecimento .......................................................................... 44
Figura 24 - Custos finais da climatização .......................................................................................... 44
Figura 25 - Valor médio das renovações ........................................................................................... 48
Figura 26 - Diferença de temperatura entre existência ou não de ventilação...................................... 49
Figura 27 - Temperaturas interiores de dois dias típicos de verão ..................................................... 50
Figura 28 - Temperaturas interiores simulações com controlo dos utilizadores .................................. 51
Figura 29 - Temperaturas interiores de simulações com funcionamento nos mesmos períodos ......... 51
Figura 30 - Temperaturas interiores para ventilação controlada pela ocupação ................................. 52
Figura 31 - Temperaturas para simulações no inverno com variação das renovações de ar .............. 55
Figura 32 - Consumos climatização................................................................................................... 56
Figura 33 - Temperaturas interiores, de duas semanas de verão, das várias simulações realizadas .. 59
Figura 34 - Valores das temperaturas de quatro simulações, para 3 dias típicos de verão ................. 60
Figura 35 – custos com o arrefecimento do fogo ............................................................................... 61
ix
Figura 36 - Variação da temperatura ao longo de duas semanas de verão ........................................ 64
Figura 37 - Variação da temperatura ao longo de duas semanas de verão ........................................ 65
Figura 38 - Custos energéticos ......................................................................................................... 66
Figura 39 - Comportamento dos ganhos diários ................................................................................ 68
Figura 40 - Comparação dos vários resultados obtidos ..................................................................... 71
1
1. Introdução
1.1. Enquadramento
As sociedades actuais têm assistido a uma diminuição das reservas de recursos energéticos, não
renováveis, e ao grande impacte ambiental causado pela geração de energia ao longo de gerações.
A sensibilização mundial para a necessidade de conservação e uso racional da energia tem levado a
que cada vez mais se procurem soluções para minimizar as alterações que estão a ocorrer, sem
modificar o estilo de vida contemporâneo. Apesar da consciencialização ambiental, o consumo de
energia para a criação de condições de conforto em edifícios tem visto o seu peso na factura
energética aumentar significativamente. Este aumento leva a tentativas de melhorar a eficiência
energética dos edifícios, tanto ao nível da redução das necessidades bem como eliminando
desperdícios, através de soluções cada vez mais “amigas” do ambiente.
Olhando o panorama da construção verifica-se que, fruto de um maior desenvolvimento económico e
social, existe um aumento das exigências de conforto térmico. Em Portugal, segundo dados da
Direcção Geral de Energia, em 2002 existiam “mais de 3,3 milhões de edifícios, que representavam
cerca de 22% do consumo em energia final”, sendo que só as habitações residenciais são
responsáveis por 13%. Uma análise global, da mesma entidade, revela que na distribuição dos
consumos energéticos do sector doméstico em termos de energia final, 25% dizem respeito à
climatização de edifícios. Também na União Europeia, segundo o seu portal sobre poupança de
energia, os edifícios residenciais, industriais, comerciais e administrativos, são responsáveis por mais
de 40% do consumo de energia sendo a maior parte utilizada em sistemas de aquecimento e
refrigeração.
Em contraponto com a crescente necessidade energética na climatização dos edifícios, a UE criou no
ano de 2002 a “Directiva para a Eficiência Energética dos Edifícios”. Esta directiva apontava medidas
para “potenciais poupanças de energia, no sector da habitação”, na ordem dos 22% já em 2010, e
mesmo reduções de 30-40% em mais de 10 milhões de habitações na União Europeia. A diminuição
dos consumos pode ser obtida por diminuição das necessidades e mesmo pelo aumento da eficiência
dos sistemas. No entanto, “o modo mais eficaz corresponde a uma diminuição das necessidades,
uma vez que a energia que não se precisa não se gasta” [1].
Considerando estes dados, pode concluir-se que uma das áreas críticas no projecto de um edifício é
o consumo energético para aquecimento e arrefecimento. Estes consumos irão, segundo as novas
directivas nacionais, atribuir uma classificação de eficiência aos edifícios e podem mesmo inviabilizar
a sua construção, caso não cumpram os requisitos da regulamentação nacional (RCCTE) [2].
Devido à relevância que o consumo de energia nos edifícios apresenta, qualquer melhoria no sentido
de diminuir os gastos de energia na climatização apresenta benefícios a nível económico e ambiental.
Neste aspecto, Portugal encontra-se numa posição vantajosa em termos climáticos para o
aproveitamento das energias renováveis, bem como para a regulação das trocas de calor. Existe,
apesar de tudo, um desconhecimento e falta de sensibilidade sobre este assunto. Deve ser feito um
esforço no sentido de sensibilizar as pessoas, nos aspectos em que estas podem “contribuir para
2
uma sustentabilidade e eficiência energética na exploração dos edifícios e, por consequência, para
uma maior autonomia energética de Portugal e uma maior preservação ambiental” [3].
1.2. Objectivos/Motivações
Existem vários desenvolvimentos em termos de soluções construtivas que contribuem
significativamente para um melhor desempenho térmico dos edifícios. Técnicas construtivas de
“arquitectura bioclimática” e maiores exigências de desempenho térmico das habitações fazem já
parte dos princípios básicos da engenharia. No sentido de maximizar a eficiência destas técnicas, e
mesmo a criação de novas soluções, torna-se importante o estudo pormenorizado do comportamento
dos edifícios a nível térmico e energético, de forma a obter-se dados mais reais e exactos.
A energia consumida por um edifício, no seu período de vida é composta por duas parcelas: a
energia do dia-a-dia, onde se incluem os gastos com o aquecimento e o arrefecimento, e a energia
incorporada na construção (materiais e processos). Os utilizadores finais têm um papel fundamental
no comportamento energético diário das habitações, principalmente na forma como as trocas de calor
se processam e em que quantidade. Com a elaboração deste trabalho, pretende-se quantificar os
impactes nas trocas de calor provocados pelos utilizadores dos edifícios, no que diz respeito ao seu
desempenho térmico global, com o objectivo de obter dados que possam ser úteis em fases iniciais
do projecto de térmica. Para a realização do trabalho foram realizadas várias simulações, recorrendo
a um programa computacional, de forma a avaliar o comportamento térmico e energético de um fogo
tipo para condições reais de funcionamento.
1.3. Metodologia e estrutura
No capítulo 1 é feito um enquadramento do tema do trabalho, a que se seguem as motivações e os
objectivos que estão na base da sua realização. Depois desta apresentação, no capítulo 2 é feita uma
revisão dos conceitos teóricos fundamentais de transmissão de calor, carga térmica, condições de
conforto, entre outros. Para melhor compreender os factores que influenciam o comportamento
térmico dos edifícios, são revistos os fenómenos de transferência de calor que ocorrem ao longo de
um dia numa habitação. Após esta revisão, no capítulo 3 são aprofundados os factores relacionados
com o uso dos edifícios e o seu impacte sobre os referidos fenómenos de transmissão de calor.
Consolidados os conceitos teóricos, é possível centrar a atenção nos aspectos mais práticos do
trabalho. Para a elaboração dos inúmeros cálculos necessários à obtenção dos resultados
pretendidos, será utilizado o programa EnergyPlus, que é um programa bastante utilizado em
trabalhos no mesmo âmbito. Devido à especificidade deste programa e aos vários pressupostos
assumidos para a elaboração do trabalho, no capítulo 4 procura-se fazer um enquadramento histórico
do programa e explicar passo a passo os dados introduzidos.
No que diz respeito ao estudo analítico, o programa EnergyPlus será utilizado para a realização de
uma série de simulações térmicas de um edifício residencial típico, apresentadas no capítulo 5. As
simulações irão centrar-se especificamente sobre três parâmetros representativos duma utilização do
3
tipo habitacional: ganhos internos, ventilação natural e ganhos solares. Para cada um destes
parâmetros serão criadas previsões de comportamento tipo, baseadas no estudo teórico realizado
sobre o tema. Os comportamentos tipo irão basear-se nas necessidades de conforto dos utilizadores,
nos horários de ocupação reais e nas tentativas de diminuição de consumos energéticos. Os
resultados obtidos com os testes realizados, sobre estes aspectos, serão alvo de dois tipos de
análise.
Numa primeira análise, as simulações serão confrontadas com uma simulação Base a fim de avaliar
se os valores definidos no regulamento nacional sobre o comportamento térmico dos edifícios
(RCCTE) se afastam muito dos que traduzem condições mais reais de funcionamento. A outra
vertente de análises centra-se no impacte produzido no comportamento térmico de um edifício por
uma variação dos parâmetros acima referidos – ganhos internos, ventilação natural e ganhos solares.
Obtidos os resultados, é feita a sua leitura crítica salientado as principais diferenças observadas entre
os diferentes casos de simulação. As conclusões irão debruçar-se sobre o impacte na temperatura
média do ar interior e nos consumos energéticos com climatização, consequência dos ganhos
internos, da ventilação e dos ganhos solares. A Tabela 1 resume os diferentes tipos de simulação
realizados ao longo do trabalho.
Tabela 1 - Descrição das simulações realizadas
Tipo de simulação Objectivo
1 Simulação em
funcionamento livre Caracterizar a zona sem influência de qualquer parâmetro
2 Simulação Base Caracterizar a zona utilizando os valores definidos pelo RCCTE
3 Simulação referente aos
ganhos internos
Definir aproximações de valores espectáveis para ganhos internos normais
4 Comparar os valores obtidos em termos de grandeza e em termos de período
de funcionamento
5 Simulação referente à
ventilação natural Definir padrões de abertura de janelas com caudais razoáveis e conjugar com
horários de funcionamento e condições de conforto
6 Simulação referente aos
ganhos solares Definir posições das protecções solares com base nas suas funções de
segurança e sombreamento
2. Conceitos sobre os fenómenos de transmissão de calor em
edifícios
2.1. Variáveis individuais e ambientais, de zonas habitacionais
2.1.1. Conforto térmico
As habitações edificadas nos países desenvolvidos apresentam como princípios construtivos não só
a segurança estrutural, regulamentada pelos Eurocódigos, mas também uma série de outras
características obrigatórias, definidas por regulamentos direccionados para as exigências de
habitabilidade, no caso geral, e de conforto em particular.
4
As exigências de conforto são definidas por vários regulamentos nacionais, tais como o RCCTE,
“Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios”, a norma NP 1037-1
que controla a “Ventilação e evacuação dos produtos da combustão dos locais com aparelhos a gás”,
o “Regulamento Geral do Ruído”, entre outros. As condições mínimas definidas nas várias legislações
procuram responder às exigências de conforto dos utilizadores finais dos edifícios, consumindo o
mínimo de recursos para cumprir esse objectivo.
Importa então definir, logo desde inicio, o conceito de conforto térmico, os factores que influenciam
essa sensação e as consequências do comportamento dos edifícios na obtenção dessas condições.
As variáveis ambientais que influenciam a sensação de conforto são a temperatura do ar, a
temperatura radiante média, a velocidade do ar e a pressão parcial do vapor de água no ar ambiente.
Estes são claramente os factores que irão influenciar as decisões das pessoas e o seu
comportamento.
Analisando definições de vários autores, é consensual que o conforto é um “estado de espírito que
expressa satisfação com a envolvente térmica”, devendo as condições na envolvente ser tais que, as
trocas térmicas entre o corpo do ocupante e o meio se processem de maneira a que o corpo não
tenha que produzir nem perder calor em excesso, de forma a manter uma temperatura adaptada às
suas actividades.
Sendo assim existem também uma série de variáveis que influenciam o modo como “geramos e
perdemos calor, tais como a actividade física e mental, a velocidade metabólica, o isolamento
corporal natural e as roupas” [3]. Estas variáveis são denominadas variáveis individuais. Diferentes
combinações dessas variáveis podem produzir a mesma sensação térmica; logo duas pessoas
submetidas às mesmas condições de ambiente no interior de um edifício podem ter sensações
diferentes de conforto térmico.
Devido à subjectividade dos critérios, a definição de conforto térmico é de difícil quantificação. Deste
modo, tem apenas interesse identificar e estudar os aspectos que influenciam esse conforto sem os
quantificar. Neste trabalho o objectivo é caracterizar as atitudes dos utilizadores perante os meios que
dispõem para procurarem obter conforto, verificando depois o seu impacte nas condições reais.
Existem vários índices que traduzem as condições de conforto dos ocupantes de um edifício, sendo
os mais comuns, segundo [4], a neutralidade térmica (Thermal Neutrality), o modelo adaptativo
(Adaptive mode) e ainda o mais complexo, o voto médio pervisivel (Predicted mean vote).
No que diz respeito a estes modelos, o aspecto mais importante é o facto de assumirem que as
pessoas irão alterar o seu comportamento, “diminuindo o nível de roupa, abrindo janelas, etc”,
quando atingem a sensação de desconforto térmico (Oseland, 1998) [4].
Antes de ser possível compreender o comportamento dos utilizadores perante as possíveis condições
interiores de um edifício, convém fazer uma análise das variáveis ambientais que condicionam essas
condições.
5
2.1.2. Temperatura do ar
O edifício não pode ser considerado um elemento isolado de condições externas por ser
principalmente devido a essas condições que se processam as trocas de calor entre o edifício e a sua
envolvente. Este facto tem importância quando se fala da temperatura do ar interior, uma vez que
esta temperatura é resultante dos ganhos e perdas que se verificam no espaço.
As temperaturas a ter em consideração no estudo do comportamento térmico de um edifício são a
temperatura exterior e interior. A temperatura exterior é exclusivamente dependente da localização do
edifício, sendo definida no caso do RCCTE para a zona climática à qual pertence. Neste trabalho,
como será referido mais adiante, o programa utilizado recorre a dados climáticos horários para cada
região, que também são disponibilizados no site onde se descarrega o programa,
http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus
.No que diz respeito à temperatura interior, é necessário diferenciar entre a temperatura que evolui
em regime livre e a temperatura que se pretende atingir de modo a que se verifiquem as condições
de conforto exigidas pelos utilizadores. A temperatura interior em funcionamento livre é função da
temperatura exterior, da radiação solar e das características físicas da envolvente. Corresponde à
temperatura que se obtém do balanço térmico entre os ganhos e as perdas de calor que ocorrem em
determinado momento.
Um dos objectivos deste trabalho é avaliar a temperatura interior que se verifica para as várias
condições simuladas. No entanto, a precisão que se pretende neste estudo implica também a
necessidade do conhecimento horário do valor da temperatura exterior. Como será explicado no
capítulo dos conceitos teóricos dos fenómenos de transmissão de calor, a diferença de temperaturas
entre o interior e o exterior provoca fluxos de calor entre estes dois meios, tanto através de condução
como por movimentações de massas de ar.
Relacionando a temperatura com as condições de conforto surge a definição de temperatura interior
de conforto. A temperatura de conforto deve apresentar um valor que permita aos utilizadores realizar
as actividades à sua temperatura “corporal normal com uma taxa de produção de calor igual à taxa
de perda” [4]. O RCCTE define como temperatura de conforto para a estação de aquecimento o valor
de 20ºC, enquanto para a estação de arrefecimento esse valor é 25ºC
A diferença entre as duas temperaturas interiores, real e de conforto, conduz a que existam
necessidades de aquecimento e arrefecimento do espaço ocupado, consoante a temperatura de
conforto supera a interior ou vice-versa.
Visto ser um dos objectivos desta dissertação uma análise completa do funcionamento de um edifício,
serão fornecidos dados horários de temperatura exterior, para que o programa analise as trocas de
calor e possa activar os meios de controlo da temperatura interior em consonância com o que seria
expectável por parte dos utilizadores.
2.1.3. Humidade
A humidade sob a forma de vapor no ar é outro factor que não pode ser ignorado quando se fala de
condições ambiente. Esta variável ambiental influência a sensação de conforto dado que uma das
6
“formas de o corpo libertar energia é através da transpiração” [3], que constitui uma expulsão de água
do corpo.
Quanto maior o valor da humidade relativa, maior a sensação de desconforto perante temperaturas
mais elevadas. É no verão que a humidade atinge os valores mais elevados, sendo nesse período
que se deve ter em consideração os valores atingidos na avaliação da temperatura de conforto.
Existem dois problemas de fundo provocados pela humidade ao nível do comportamento térmico de
edifícios. O primeiro problema encontra-se relacionado com a diminuição da temperatura de conforto,
perante maiores valores de humidade, e o consequente aumento das necessidades de arrefecimento.
O segundo problema diz respeito à condensação. A condensação é um fenómeno que consiste na
agregação das partículas de água que existem em fase gasosa no ar, a humidade. Este fenómeno
ocorre quando o ar entra em contacto com uma superfície mais fria e arrefece até atingir a chamada
temperatura de orvalho.
A importância da humidade no tema deste trabalho prende-se com a necessidade de renovar o ar
interior para evitar as referidas condensações. Este parâmetro é uma das causas que implica
ventilação natural para melhorar a qualidade do ar interior e prevenir patologias construtivas.
2.1.4. Ventilação Natural
A ventilação desempenha um papel importante no comportamento térmico dos edifícios a dois níveis
muito distintos: ao nível das trocas de calor; e ao nível da renovação do ar dos espaços interiores. Os
efeitos da ventilação nos edifícios dependem principalmente da velocidade e orientação do vento, da
diferença de temperatura entre o interior e o exterior e da área de aberturas permitida para a
renovação do ar.
O ar que envolve o edifício não se encontra estático, mas apresenta contínuas movimentações entre
o interior o exterior. As forças que geram estas movimentações têm duas origens: uma é provocada
pelas diferenças de densidade associadas a massas de ar a diferentes temperaturas, que constituem
acções estáticas; a outra é devida a diferenças de pressão causadas pela acção do vento, que
constituem acções dinâmicas. A entrada e saída de ar nos edifícios faz-se devido às diferenças de
pressão, com as origens referidas, que ocorrem entre o interior e o exterior, e é função da
permeabilidade da envolvente. Quando este processo ocorre de uma forma não controlada designa-
se por infiltração.
Conhecendo as causas da movimentação do ar, podem-se distinguir três tipos de ventilação natural:
a ventilação simples, a cruzada e o efeito chaminé.
Ventilação simples (one-sided ventilation) processa-se apenas através de aberturas numa só
fachada, o que torna esta solução pouco eficaz. Ventilação cruzada (two-sided ventilation) processa-
se entre aberturas localizadas em fachadas diferentes, podendo originar um número elevado de
renovações horárias e efeitos consideráveis nas condições de conforto térmico.
O efeito chaminé (stack effect), por outro lado, é devido à diferença de densidades já referida, que
caracteriza as massas de ar com diferentes temperaturas. Este facto provoca uma subida do ar
quente e uma saída pela zona superior do edifício bem como uma sucção de ar, criando uma
7
ventilação cruzada. A eficiência desta técnica é tanto maior quanto maior a diferença de temperaturas
entre o ar confinado à chaminé e o ar exterior [1].
A movimentação do ar entre o interior e o exterior tem duas consequências muito visíveis. Por um
lado conduz a perdas de calor, pelas trocas de energia que se geram, por outro aumenta a
temperatura de conforto, gerando uma sensação de desconforto pela velocidade do ar.
A causa do aumento da temperatura de conforto deve-se ao aumento das trocas de calor por
convecção entre o corpo e o ambiente. A referência [1] define que, por exemplo, para velocidades de
0,5 m/s a gama de temperaturas de conforto encontra-se entre os 21 e os 25ºC enquanto para 2m/s
essa gama situa-se entre 25 e 28ºC. Com este aumento da tolerância a temperaturas superiores em
cerca de 4ºC é possível realizar poupanças energéticas importantes no verão, mas por outro lado
aumentos de consumo no inverno. Apesar de contraproducente no inverno, a exposição ao vento das
fachadas é muito benéfica no verão [1].
Segundo [5], GIVONI realizou experiências, onde observa o efeito do posicionamento e dimensões
das aberturas sobre os fluxos de ar internos no ambiente. Existem vários textos que defendem a ideia
de que o uso apropriado das janelas pode contribuir para uma diminuição da temperatura de um
espaço.
Existe uma falta de dados concretos sobre infiltração e ventilação para edifícios completos. Essa
informação é essencial para validar os modelos de ventilação. Antes de iniciar as simulações é
necessário identificar todas as variáveis para cada edifício em concreto, de modo a, obter dados mais
realistas e em última análise, modelos mais exactos.
Atendendo à influência da ventilação nas trocas de calor nos edifícios, e ao papel dos utilizadores no
controlo deste parâmetro, este será um aspecto a verificar neste trabalho.
2.2. Fenómenos de transmissão de calor
Antes de se iniciar o estudo do comportamento térmico de um edifício é necessário abordar os
fenómenos de transferência de energia num edifício. Este capítulo irá abordar os três tipos de
transferência de energia e todas as trocas térmicas que se verificam no regular funcionamento de
qualquer edifício.
A base teórica que fundamenta os fenómenos de transmissão do calor é muito vasta e encontra-se
intimamente ligada à termodinâmica e às leis dos fluidos [6]. A termodinâmica indica que a
transferência de energia se processa de um foco quente para um foco frio. Deste modo, um edifício
que receba energia natural é um foco frio perante determinado foco quente. No sentido oposto, um
edifício que liberte energia para o exterior é um foco quente para o exterior, que é um foco frio
Para que as trocas de calor favoreçam o conforto interior, deve procurar-se que durante o verão a
habitação seja um foco quente, transferindo o calor para o exterior, e durante o inverno, um foco frio
que receba energia, evitando ao mesmo tempo que outras fontes de maiores dimensões alterem este
estado de fluxo. De seguida apresenta-se uma breve explicação das formas de transferência de
energia térmica.
8
2.2.1. Condução
O fenómeno da condução traduz-se na “transferência de energia de partículas com níveis energéticos
mais elevados para partículas com menor energia” [7]. A condução pode ocorrer entre dois corpos ou
dois meios em contacto e com diferentes temperaturas, através do movimento e choque de
partículas. A quantidade de calor transmitida pode ser obtida por intermédio da Lei de Fourier:
𝑞 = −λ𝛿𝜃
𝛿𝑋
onde q = fluxo de calor (W/m2)
λ = condutibilidade térmica do material (W/mºC) δθ = diferença de temperatura entre duas partículas (ºC) δx = distância entre partículas (m)
Segundo esta lei quanto maior a diferença de temperatura entre os dois corpos maiores as trocas de
calor entre os mesmos, sendo que os corpos tendem a igualar as temperaturas para atingirem um
estado de equilíbrio.
No entanto, existem outros factores que condicionam as trocas de calor. O calor propaga-se pela
continuidade dos materiais consoante a sua condutibilidade térmica, sendo a quantidade de calor
transmitido por condução directamente proporcional à condutibilidade térmica do meio ou material.
Esta propriedade, designada simbolicamente por λ, “equivale à quantidade de calor Q transmitida
através de uma espessura L, numa direcção normal a superfície de área A, devido ao gradiente de
temperatura ΔT, [W/m⁰C]”, retirado de http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica.
A equação utilizada para expressar as trocas de calor por condução é então função de vários
parâmetros e surge normalmente sobre a forma da seguinte equação:
𝑄 = 𝑈 × 𝐴 × (𝜃𝑒 − 𝜃𝑖)
onde U= Coeficiente de transmissão térmica (W/m2⁰C)
A= área de exposição (m2)
θe = temperatura exterior (ºC) θi = temperatura interior (ºC)
O principal conceito a reter para aplicação neste trabalho é o facto de, nos edifícios, a condução ser
responsável pela transferência de calor entre duas fronteiras sólidas, sendo essa quantidade e
intervalo de tempo controladas pela condutibilidade dos materiais e pela inércia térmica.
2.2.2. Convecção
A convecção é o processo pelo qual um fluxo de calor é transferido entre uma superfície sólida e o ar
adjacente a essa mesma superfície, ou seja, é a propagação de energia entre um sólido e um fluido
que escoa sobre a superfície sólida. Este fenómeno pode ser de origem natural, se for causado por
gradientes de temperatura, ou forçada se for devido a ventos ou ventoinhas.
Na modelação das correntes de convecção num edifício, as superfícies externas e internas são
tratadas de forma diferente. A convecção externa deve-se ao vento e é considerada forçada,
9
enquanto a interna pode dever-se a fenómenos naturais bem como ser forçada por aparelhos de
condicionamento do ar.
Torna-se difícil a contabilização da convecção interna forçada, uma vez que, esta se encontra
bastante dependente da utilização de aparelhos pelos utilizadores e das disposições de aberturas
definidas para os fluxos. Na realização do trabalho foi utilizado um programa de cálculo de fluxos de
ar, o Comis, como módulo do programa EnergyPlus. Este programa permite a definição de um vasto
espectro de cenários de disposição e abertura de janelas em termos da ventilação induzida, o que se
afigura de grande interesse no âmbito da avaliação das condições reais de funcionamento de um
edifício.
A expressão que traduz este fenómeno de transferência de calor por convecção aproxima-se da
expressão da condução e é a seguinte:
𝑄 = ℎ𝑐 × 𝐴 × (𝜃𝑠 − 𝜃𝑓)
onde hc= condutância superficial por convecção (W/m2⁰C)
A= área de exposição (m2)
θs = temperatura da superfície do sólido (ºC) θf = temperatura do ar (ºC)
2.2.3. Radiação
A radiação consiste na libertação de energia sobre a forma de ondas electromagnéticas, emitidas
devido à energia acumulada no corpo sob a forma de calor. Esta energia radiante, mesmo na
ausência de um meio de propagação, pode ser absorvida, transmitida ou reflectida.
Devido à sua elevada temperatura, o sol desempenha um papel muito importante como corpo
emissor de energia radiante. As parcelas desta energia absorvida pelas superfícies opacas e
transmitida pelas superfícies transparentes são responsáveis por grande parte dos ganhos de calor
nas habitações, conduzindo a aumentos da temperatura das superfícies e ar interior.
A expressão que explica o fenómeno da radiação denomina-se expressão de Stefan-Boltzmann e
traduz-se na seguinte equação.
𝑄 = 휀 × 𝜎 × 𝐴 × 𝜃4
onde A = área da superfície do corpo (m2)
θ = Temperatura absoluta (K) ζ = Constante de Stefan-Boltzmann (W/m
2.K
4)
ε = Emissividade da superfície (0≤ε≤1)
Tal como na transmissão por condução e convecção, a expressão para a troca de energia radiante
entre duas superfícies é directamente proporcional a uma diferença de temperaturas e é a que se
segue.
𝑄 = ℎ𝑟 × 𝐴 × (𝜃1 − 𝜃2)
onde hr= condutância superficial por radiação (W/m2⁰C)
A= área de exposição (m2)
θ1 = temperatura do corpo 1 (ºC) θ2 = temperatura do corpo 2 (ºC)
10
“Mesmo garantindo completo isolamento a trocas de calor por condução e convecção, uma vez que
os corpos não se encontram isolados no meio” [1], existem sempre trocas de energia por radiação
entre todas as superfícies que se contactam visualmente, e que é tanto maior quanto maior for a
diferença de temperatura entre elas.
Relativamente à radiação solar distinguem-se três tipos que têm importância na térmica de edifícios:
radiação directa do sol, que é a forma de radiação mais intensa; radiação difusa, que é difundida em
todas as direcções pelas moléculas de ar e por partículas que compõem a atmosfera; e ainda a
radiação reflectida em outras superfícies. Num dia de céu limpo, a percentagem de radiação que
chega ao solo é cerca de 50% do valor da radiação emitida pelo sol, sendo a percentagem de
radiação difusa baixa. No entanto, num dia com nuvens, a radiação difusa pode variar entre 10 a
100% do valor da radiação que chega ao solo, segundo [3].
O sol apenas altera a inclinação dos seus raios ao longo do ano, pelo que as propriedades ópticas do
corpo que recebe a radiação determinam em grande parte a quantidade de energia efectivamente
recebida. Este facto torna os envidraçados, que são elementos com elevada transmitância, a principal
forma de entrada da radiação solar num edifício. O controlo da área envidraçada exposta à radiação
é transversal ao estudo realizado para o parâmetro dos ganhos solares.
3. Comportamento térmico de edifícios
As trocas de calor entre o edifício e o meio envolvente ocorrem pelos fenómenos físicos estudados
anteriormente. Esses fenómenos são resumidamente: condução, devido à diferença de temperatura
entre as partes sólidas do edifício; convecção, entre as partes sólidas e o ar interior e exterior; e ainda
por radiação, captada do exterior pelos envidraçados das fachadas. Interessa agora compreender
através de que elementos ocorrem essas trocas e a influência que os utilizadores têm no controlo
destas transferências. Essa influência irá prender-se principalmente com o calor produzido pela
ocupação interna, com a abertura e fecho de janelas e ainda com a posição das protecções solares
das janelas.
O RCCTE, no cálculo das necessidades de aquecimento e arrefecimento, descrimina todas as formas
de ganhos e perdas de calor, perante determinadas condições de funcionamento das habitações.
Para além das considerações do regulamento já vários trabalhos estudaram as principais formas de
transferência de energia num edifício. O presente trabalho não procura identificar as perdas e a forma
como elas ocorrem. O objectivo é medir a influência dos utilizadores nessas perdas e ganhos que
ocorrem, no sentido de uma contabilização mais correcta das necessidades energéticas para o
conforto térmico.
Utilizando como base o RCCTE, considera-se que os ganhos existentes se resumem à ocupação
interna, à radiação solar incidente nas fachadas expostas e aos ganhos por condução. No que diz
respeito às perdas, incluem-se as perdas por condução pelos elementos da envolvente e as perdas
por renovação do ar.
As estações do inverno e do verão distinguem-se pelo facto de uma corresponder a uma altura de
aquecimento e a outra a um período de arrefecimento. Apesar desta diferença nenhum edifício pode
alterar as suas características físicas principais de estação para estação. Sem alterar características,
11
o edifício pode ser dotado de mecanismos que, mediante uma correcta utilização, conduzam a
resultados diferentes em termos de ganhos e perdas de energia. “Enquanto no Inverno interessa
restringir as perdas de calor para o exterior, no Verão torna-se mais favorável restringir os ganhos
excessivos de calor para o interior” [8].
Para a melhor contabilização destas trocas através da envolvente e para o cálculo das necessidades
de climatização dos edifícios foi utilizado um software de análise dinâmica do comportamento térmico.
Em seguida serão apresentadas todos os factores que condicionam as trocas de calor num edifício e
que serão alvo de análise.
3.1. Factores com influência no comportamento térmico dos
edifícios
Pode considerar-se a existência de 3 factores fundamentais na temática da transmissão de calor em
edifícios, o próprio edifício, o clima e as pessoas.
Inicialmente convém quantificar a distribuição das perdas e dos ganhos pelos elementos que
constituem o edifício. O trabalho [8], que pretendia caracterizar os impactes da envolvente no
desempenho térmico de edifícios, utilizando o programa EnergyPlus, conclui que para vários fogos
tipo as parcelas com mais peso na distribuição percentual das perdas e ganhos são os ganhos
internos, os ganhos e perdas pelos envidraçados e os ganhos e perdas por ventilação. A Figura 1 é
um exemplo concreto da situação de inverno para demonstrar a diferença relativa às outras formas
de transferência de energia. O que se pretende agora é avaliar os factores que influenciam estas
trocas e o impacte das condições reais de funcionamento no valor final de cada um deles.
Figura 1 - Divisão percentual de ganhos e perdas de um fogo para a estação de aquecimento, [8].
Segundo [9], não “se encontraram dados conclusivos” sobre a influência dos ocupantes de edifícios,
mas “não se pode descartar o utilizador como causa da margem de erro que se verifica nas
estimativas” das temperaturas interiores de edifícios. Na respectiva tese afirma-se que existiu uma
grande “ dificuldade em determinar a carga térmica de edifícios”, [9]. O objectivo do presente trabalho
é avaliar os factores que influenciam a carga térmica, de forma a facilitar a determinação destes
valores.
12
Após um estudo aprofundado de todas as questões das trocas energéticas, as maiores incertezas
que surgem no cálculo da carga térmica são: a abertura de janelas, grande influência na renovação
do ar; a posição das protecções dos envidraçados, com consequência na área de exposição directa à
radiação solar; e ainda os valores de ganhos internos devido à ocupação interna.
A Figura 2 é um esquema ilustrativo dos factores em que se procura estudar a influência dos
utilizadores.
Figura 2 - Esquema representativo das principais trocas de calor num edifício
3.2. Interferência dos utilizadores nas condições padrão de
funcionamento dos edifícios
O comportamento dos ocupantes, suas acções e estilos de vida apresentam um impacte significativo
no comportamento térmico dos edifícios. Não se deveria aligeirar os impactes dos utilizadores, mas
sim fazer uma avaliação correcta para que se possam obter estimativas do consumo de energia mais
realistas. Este capítulo foi realizado para justificar a influência dos utilizadores nos factores que se
consideram afectar o comportamento térmico dos edifícios, ganhos internos, ventilação natural e
ganhos solares.
Definidos os aspectos que mais influenciam as trocas de energia, falta responder à questão de quais
as condições que fazem com que os utilizadores tomem determinada atitude em relação às opções
de controlo das condições térmicas interiores. As acções dos utilizadores estão intimamente
relacionadas com a sua percepção sensorial de conforto, tornando-se difícil a sua previsão.
O edifício deve funcionar como um “filtro, que modula as condições externas de modo a proporcionar,
no interior, um ambiente que satisfaça das necessidades do ser humano” [1]. Os utilizadores podem
ser os controladores desse “filtro”, utilizando as componentes que constituem o edifício. A actuação
dos ocupantes sobre o ambiente (uso de ventilação, mecanismos de sombreamento, produção de
calor) tem influência decisiva nas condições de conforto térmico. Por estas e outras razões, “nenhum
modelo e índice apresenta resultados sem discrepâncias em relação à realidade” [1].
Comportamento térmico de um
edificio
Ganhos internos
Ventilação Natural
Ganhos solares
13
Em termos do comportamento dos utilizadores podemos distinguir duas situações de desconforto:
uma devido à baixa temperatura e a oposta em que a temperatura interior é superior à temperatura
de conforto. Estas duas situações distintas de desconforto, quando aliadas aos padrões de
funcionamento de um fogo, respondem à maioria das decisões tomadas pelos utilizadores e que
influenciam o comportamento térmico dos edifícios.
Um trabalho realizado para o Fraunhofer Institute [10], conclui, através da comparação entre
monitorizações e simulações estatísticas do comportamento dos utilizadores, que um modelo
estatístico do comportamento da utilização da abertura de janelas e suas protecções solares pode
contribuir para um modelo mais realista de meios passivos de arrefecimento. Outro estudo realizado
pelo mesmo instituto [11], afirma que o modelo térmico do edifício combinado com estatísticas do
comportamento dos utilizadores simula com exactidão a performance térmica do mesmo, uma vez
que as pessoas procuram o conforto interior e irão interagir com meios ao seu dispor para adaptar o
edifício às suas necessidades. De seguida serão descritos com maior pormenor os factores em
estudo e justificados os padrões de funcionamento.
3.2.1. Ganhos de calor internos
A avaliação dos ganhos internos distingue-se dos restantes parâmetros em avaliação. Neste caso,
não se trata de criar um padrão que regule as decisões perante mecanismos existentes na habitação,
mas sim determinar ganhos tipo padrão que melhor representem os ganhos internos reais existentes.
O RCCTE, na elaboração do balanço energético de um edifício residencial, considera como ganhos
internos um valor constante médio em todas as horas de 4W/m2. Ora, como é óbvio numa habitação
não existem sempre os mesmos ganhos ao longo do dia, existindo períodos de pico com maior
ocupação e alturas em que a habitação se encontra desocupada e sem ganhos.
Por vezes os utilizadores dos fogos apenas aquecem e arrefecem a zona que utilizam, deixando o
resto do edifício em funcionamento livre, conduzindo a maiores perdas por deixarem de se poder
tratar de zonas aquecidas. A Figura 3 demonstra, numa mesma habitação, a diferença de
temperaturas que se verifica no interior.
Figura 3 - Imagem foto térmica de uma habitação, http://www.maxit.pt
14
Estas observações justificam o interesse em relação à análise da possibilidade de não existirem
ganhos internos (Simulação sem ganhos internos), bem como em relação à existência de períodos de
menor ocupação em que não existem ganhos. As simulações realizadas procuram não só
compreender a relevância de existirem ganhos internos numa habitação, mas também perceber em
que períodos esses ganhos existem em maior quantidades e qual o valor que realmente apresentam.
Para além das questões mais relacionadas com os períodos de ocupação existe ainda a questão do
valor definido no RCCTE para o valor dos ganhos internos. A Tabela 2 resume vários dados de
produção de calor por parte de pessoas, luzes e equipamentos, que foram recolhidos de diversas
fontes nomeadamente, o manual de utilizador do programa EnergyPlus [12] e ainda o documento
[13]. Os dados que serão utilizados nas simulações referentes aos ganhos internos utilizam estes
valores médios.
Tabela 2 - Tabela resumo dos ganhos internos, recolhidos de várias fontes
Origem dos ganhos
Tipo de ocupação Valor
[W/ocupante]
Metabolismo humano
Dormir 95
Sentado a descansar 104
Actividade sedentária 126
Actividade Leve 167
Cozinhar 200
Limpeza da casa 310
Iluminação
Nível de ganhos Valor [W/m2]
Baixo 5
Médio 10
Alto 20
Equipamentos
Tipo de equipamento Valor [W]
Fogão pequeno com forno 270
Esquentador 11l/minuto 345
Aspirador, Ferro de engomar, etc
270
Televisão 100
Computador pessoal 200
Frigorifico 200
Pequeno aparelho eléctrico 100
O grande número de actividades e de possibilidades de utilização de equipamentos não permite
afirmar com certezas sobre quais os ganhos exactos que ocorrem numa habitação. No entanto, é
possível definir algumas actividades base que ocorrem em qualquer rotina diária e ao mesmo tempo
introduzir aparelhos que normalmente também fazem parte do dia-a-dia, mas que não constituem
uma necessidade básica.
No capítulo da avaliação analítica, que estuda este parâmetro, foram criados calendários de
ocupação aos quais se fazem corresponder conjuntos de actividades. Uma vez que os valores variam
15
ao longo do dia, para comparação com os valores do RCCTE, foram realizadas, conjugando vários
comportamentos tipo, médias de ganhos internos horários (5,6 e 7W/m2) à semelhança do valor de
4W/m2. É possível observar que um aumento pouco significativo nos aparelhos utilizados pode
facilmente aumentar em 1W/m2 o valor dos ganhos internos médios.
3.2.2. Ventilação Natural
Conhecendo minimamente o comportamento de um fluído como o ar, facilmente se compreende que
a disposição das janelas e as áreas de abertura condicionam bastante os fluxos de circulação do ar
no interior de uma habitação. Os vidros que constituem os envidraçados apresentam elevadas
condutibilidades térmicas e grandes coeficientes de transmissão de radiação, não constituindo
praticamente barreira às trocas por condução e radiação. No entanto, a sua permeabilidade à entrada
de ar é nula, dependendo apenas da permeabilidade da caixilharia. Por estas razões o caudal de
entrada nos fogos com as janelas abertas aumenta substancialmente com a área de abertura.
Sabendo a relevância da ventilação nas trocas de energia, a alteração da posição dos envidraçados,
ganha ainda mais importância.
Segundo [14], Huang and Brodrick afirmam que nos Estados Unidos, a transferência de calor pelas
janelas produz cerca de 34% da carga de arrefecimento e 23% da carga de aquecimento, em
edifícios residenciais. É então importante modelar adequadamente os mecanismos de transferência
de calor por renovação do ar, para determinar o impacte dos regimes de utilização de janelas nos
consumos energéticos e no conforto dos ocupantes.
O controlo da convecção pode ser feito através de cenários de disposição e abertura de janelas.
Vários estudos comprovam a relevância, na diminuição da temperatura, da abertura de janelas
durante os períodos mais frios do dia, nos meses quentes. No entanto, não é apenas a pressão
estática que pode ser controlável, sendo possível afirmar o mesmo em relação à pressão dinâmica. A
criação de correntes de ar, alterando a disposição das janelas, ventila o edifício e renovam o ar,
diminuindo a temperatura e aumentando a sensação de conforto.
No sentido contrário, de modo a evitar-se perdas excessivas por convecção, deve “proteger-se os
paramentos exteriores das correntes de vento frias” [1]. Segundo um estudo realizado pelo
Sustainable Energy Development Office [4], a “redução da ventilação natural e das infiltrações
involuntárias, podem melhorar significativamente a eficiência de edifícios”. “Afortunadamente na
maioria das ocasiões, as correntes frias do inverno não coincidem com as frescas do verão, pelo que
é possível adoptar soluções compatíveis para ambos os casos” [1]. Do ponto de vista das cargas
térmicas, o ideal seria obter soluções de sombreamento e de ventilação que ajudem a “reduzi-las nos
períodos quentes e optimizá-las nos períodos frios” [1].
As Figuras 4 e 5 foram criadas pelo Laboratório de modelação matemática de processos ambientais e
tecnológicos da Universidade da Letónia, e comparam fluxos de ar em salas comuns de edifícios com
e sem janelas, através do seguimento de partículas marcadas. Por análise do esquema de cores
utilizado na representação é possível observar que a presença de uma janela altera ligeiramente as
16
condições de fronteira do fluxo no interior, mas principalmente, que reduz a temperatura do próprio
fluído.
Figura 4 - Percurso e temperatura de um fluxo de ar numa sala sem janela,
http://www.modlab.lv/en/izstradnes-metodikas-termo.php.
Figura 5 - Percurso e temperatura de um fluxo de ar numa sala com uma janela,
http://www.modlab.lv/en/izstradnes-metodikas-termo.php
O comportamento dos utilizadores provoca variações constantes nestes fluxos pelo que se torna
difícil a modelação correcta dos mesmos. Através da comparação de simulações realizadas no
programa EnergyPlus irá ser avaliada a relevância destas alterações no comportamento térmico de
edifícios.
De forma a caracterizar melhor as condições reais de funcionamento das habitações, os estudos
referidos de seguida são elucidativos da relação entre o período do dia, a temperatura interior e a
área de abertura de janelas definidas pelos utilizadores. O estudo elaborado em [10] observa o
aumento significativo da percentagem de abertura de janelas para temperaturas acima dos 20ºC.
Existe uma clara tendência para o aumento da área de janelas abertas com o aumento da
temperatura do ar interior. A Figura 6 mostra as percentagens de aberturas para as temperaturas do
ar interior.
17
Figura 6 - Relação entre a temperatura exterior e a abertura de janelas [10].
O mesmo estudo elaborou uma análise dos períodos do dia em que existia maior probabilidade de
abertura das janelas. Os valores obtidos apontam para a abertura de janelas e de outros elementos
de controlo da ventilação apenas quando existem ocupantes nos edifícios e principalmente nas
alturas do dia em que a temperatura é mais baixa no exterior. Este facto é relevante para se perceber
que o valor das renovações de ar não é constante ao longo do dia, apresentando picos que
caracterizam o seu comportamento real e que interessam quantificar. Apesar do estudo ter sido
elaborado para um edifício de escritórios, as conclusões a retirar para uma habitação são as
mesmas, apesar de que os períodos de ocupação são obviamente distintos. A Figura 7 representa a
frequência com que as janelas são abertas ao longo de um dia.
Figura 7 - Relação da abertura de janelas com o período do dia e da ocupação, durante 30 dias de
trabalho no verão de 2003 [10].
Como conclusão, o estudo afirma que “a probabilidade de abertura de janelas depende
principalmente da temperatura ambiente e da altura do dia. No entanto, o perfil de utilização difere de
estação para estação. Apesar das janelas serem abertas o mesmo número de vezes no verão que no
inverno, permanecem mais tempo abertas no verão” [10]. Esta conclusão serve de base aos padrões
de funcionamento criados para as simulações analíticas. As conclusões sobre se estas condições
18
apresentam um impacte no comportamento térmico de edifícios, serão retiradas aquando da
apresentação dos resultados.
3.2.3. Ganhos solares
A radiação solar é uma das principais acções climáticas a considerar no comportamento térmico de
edifícios. Todos os edifícios, de uma forma ou de outra, estão sujeitos à influência dos raios solares e
às consequências dessa forma de transmissão de calor. É importante ter-se a noção de que em
edifícios desenhados sem qualquer preocupação especial, a energia solar contribui em cerca “20%
para o seu aquecimento, podendo esse valor aumentar para 40% caso se dedique algum tempo a
esta temática aquando da concepção do edifício” [3].
Segundo [15], Lamberts afirma que “a radiação solar é um dos mais importantes contribuintes para os
ganhos térmicos em edificações, além de ser a principal fonte de luz natural”. Estes ganhos são muito
benéficos no inverno para o aquecimento, mas durante o “verão devem ser limitados por palas ou
sombreamentos sobre a janela de modo a evitar sobreaquecimentos” [3].
A superfície de fachada apresenta zonas opacas, onde ocorre absorção e reflexão da radiação, e
zonas translúcidas, como os envidraçados, em que ocorre transmissão da radiação. A radiação
transmitida através dos vidros é responsável pela maior parte dos ganhos obtidos por radiação.
Desde logo se percebe a importância de se controlar a radiação que atinge os envidraçados, por
intermédio de protecções opacas.
O comportamento dos vidros é particularmente interessante no que diz respeito à radiação solar. A
radiação de onda curta atravessa facilmente o vidro fornecendo energia aos elementos existentes no
espaço. Esses elementos absorvem e acumulam uma grande parte dessa energia. Por outro lado, a
radiação que é reflectida apresenta comprimentos de onda longa que não é transmitida pela
envolvente do edifício. Este tipo de efeito é muito útil nas estações frias visto permitir armazenar
calor.
Num estudo citado em [5] foi realizada uma simulação computacional para um edifício de escritórios
na cidade de São Paulo e concluiu-se que o efeito do sombreamento externo é mais eficaz na
redução dos ganhos térmicos internos do que o tipo de vidro. Neste estudo, independente do tipo de
vidro, a presença de uma protecção exterior opaca reduz cerca de 25% do ganho térmico interno
para a mesma proporção janela/parede. Apesar dos mecanismos de sombreamento internos serem
de manuseamento mais fácil, em virtude da sua acessibilidade, são cerca de 30% 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%. Em mecanismos externos a energia é
dissipada pela ventilação exterior, constituindo portanto um sistema mais eficiente [3].
Muito do aproveitamento da radiação passa pela atitude dos ocupantes que regulam a entrada de
radiação na habitação, controlando a activação ou ocultação das protecções solares. Os elementos
mais sensíveis à radiação são os envidraçados devido à sua “elevada transmissão da radiação e
fraca resistência térmica” [7]. Os restantes elementos, opacos, restringem a passagem de energia
sobre a forma de radiação, permitindo apenas a absorção da radiação e não a sua transmissão. A
posição das protecções exteriores tem máxima importância nos ganhos térmicos por radiação solar,
19
podendo passar de 100% de aproveitamento a 0% consoante a sensação de conforto do controlador
das protecções. Palas exteriores ajustáveis e elementos verticais, como estores, portadas ou toldos
ou então sombreamentos interiores, como cortinas e cortinados, são os elementos à disposição dos
utilizadores para o controlo dos ganhos por radiação solar.
Da análise de resultados elaborados no estudo [11] é possível concluir que em divisões em que os
ocupantes fecham mais frequentemente as janelas existiam ganhos solares médios de 106 Wh/m²,
enquanto nos casos em que raramente eram fechadas existiram ganhos médios de 210 Wh/m².
Desde logo se observa a influência dos comportamentos dos utilizadores nos ganhos por radiação
num fogo. Estes valores apresentam uma grande variação ao longo dos vários dias, tendo o mesmo
estudo detectado desvios padrão de “43% nos ganhos solares em relação à média” [11].
Como conclusão, a regulação das protecções permite controlar a radiação solar, dando um contributo
importante para a climatização do edifício. No entanto, as técnicas naturais de aquecimento devem
ter em conta o seu comportamento durante o verão e estabelecer mecanismos de sombreamento e
ventilação para evitar excessivos aquecimentos. Nas simulações realizadas, na análise analítica, o
comportamento dos utilizadores incide no controlo da temperatura interior, com a activação ou
oclusão das protecções, e ainda num controlo baseado na ocupação, em que as protecções
apresentam uma função de protecção contra intrusões.
4. Apresentação do programa
Todos os objectivos deste trabalho e os pressupostos que se procura avaliar e comprovar necessitam
de inúmeros cálculos. O cálculo da carga térmica de edifícios e das trocas de calor pressupõe a
contabilização de todos os ganhos e perdas para as situações que se procura avaliar. Os programas
de cálculo automático possibilitam estes cálculos, que seriam impossíveis de resolver manualmente.
O programa a utilizar neste trabalho, EnergyPlus, é um programa modular que permite avaliar a
temperatura interior ao longo dos vários passos de cálculo, bem como calcular todas as necessidades
energéticas ao longo de um determinado período. Utilizando esta ferramenta, serão definidas
condições iniciais paramétricas, para as quais será realizada uma simulação (simulação Base), sendo
a posteriori alteradas individualmente as condições que se pretende estudar, criando modelos para
essas situações. Desde já percebe-se que seria impossível a realização manual de todos os cálculos,
até porque muitas das condições são definidas hora a hora e dependem de vários factores
probabilísticos.
O EnergyPlus é uma ferramenta informática de análise dinâmica dos fenómenos de transmissão de
calor produzido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, e que resulta da
união de dois outros programas, o Blast e o DOE-2. O programa permite ainda a integração de outras
ferramentas para cálculos mais específicos, como o programa Comis. Com o conhecimento das
condições climatéricas exteriores, são calculadas as cargas térmicas a partir do balanço térmico dos
elementos constituintes das zonas para intervalos de tempo definidos, e alteradas as condições
interiores para o passo de cálculo seguinte. Para cada intervalo de tempo o EnergyPlus utiliza essas
condições interiores para activar os sistemas existentes na edificação e integrar ambos os resultados.
20
O que se procura ao utilizar o EnergyPlus é que o programa gere um modelo que use a informação
da envolvente do edifício, das condições interiores de funcionamento da habitação, das taxas de
utilização dos sistemas de climatização e dados climatéricos produzindo simulações horárias para
estimar a temperatura interior e consumos energéticos dos sistemas de climatização. A Figura 8
resume a forma como o programa funciona.
Figura 8 - Modelo de funcionamento do programa [12]
A validação do EnergyPlus foi já realizada através de testes padrões (BESTEST), que são utilizados
para verificar possíveis erros do programa, analisando se o modelo computacional representa as
condições reais da edificação. O método BESTEST (Building Energy Simulation Test) foi criado pela
International Energy Agency e foi adoptado pela ASHRAE como “norma para teste e avaliação de
programas computacionais para análise energética de edificações”, com o nome de ASHRAE
Standard 140 (ASHRAE, 2001). É frequentemente utilizado como procedimento de testes e validação,
pois possui resultados de simulações de outros programas de simulação térmica de edifícios,
possibilitando a comparação entre os modelos.
O Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, 2004), utilizando o referido método ANSI/ASHRAE
Standard 140, realizou a simulação de 18 edifícios, variando a inércia térmica, posição de janelas,
protecções solares e ainda vários sistemas de climatização, obtendo o EnergyPlus resultados com
variações inferiores a 1% em grande parte das simulações. Também já vários utilizadores, como por
exemplo “Grings, (2003), ao analisar a potencialidade e as limitações do programa, observou que a
diferença entre a carga térmica medida e a simulada apresenta-se dentro do intervalo de incerteza
previsto” [15].
Tendo já sido o programa testado na simulação do comportamento térmico de edifícios o objectivo é,
tendo por base um modelo com características semelhantes às utilizadas pelo regulamento nacional,
introduzir um edifício de características físicas fixas e simular parâmetros que se consideram
relevantes no comportamento térmico de edifícios e analisar a influência dos utilizadores nas trocas
de calor do mesmo edifício.
21
22
4.1. Valores de entrada para o EnergyPlus
Antes de se iniciar a introdução dos dados concretos da zona em estudo, existe uma série de
informações a introduzir no programa, que ajudam a compreender o funcionamento do programa em
vários aspectos mais técnicos e não relacionados com o tema.
4.1.1. Parâmetros de simulação
A versão utilizada do programa é a 1.2.0. Apesar de não ser a versão mais recente permite
perfeitamente cumprir os objectivos a que o trabalho se propõe.
No que diz respeito mais concretamente à zona em estudo, o edifício que será caracterizado é
denominado de edifício “estudo” e tem uma orientação de -45º em relação ao eixo do Norte. Para os
vários cálculos a serem elaborados, definiu-se como período mínimo de repetição, time step in hour,
uma hora de intervalo. As alterações nas condições de funcionamento de edifícios podem ser
efectuadas a qualquer momento, pelo que para a avaliação dos parâmetros em estudo este período
deveria ser o mínimo possível, neste caso uma hora. As características seguintes explicam a forma
como o programa avalia as condicionantes exteriores que provocam impacte sobre o edifício.
4.1.2. Cálculo das trocas de energia
O programa permite várias formas de abordar e calcular as cargas térmicas transmitidas por
radiação, convecção e condução.
No que diz respeito à radiação, o modelo utilizado para avaliar a radiação solar será tratado nas
simulações como “Full Exterior”. Esta opção tem em consideração todas as saliências, palas e
relevos das portas e janelas sobre a superfície exterior, no cálculo da respectiva área de exposição à
radiação directa. No que diz respeito à radiação que atinge o interior, o programa considera
simplificadamente que toda a radiação incide exclusivamente sobre o pavimento, sendo absorvida
consoante o coeficiente de absorção respectivo. Toda a radiação reflectida é adicionada à radiação
difusa, que se considera uniformemente distribuída por todas as superfícies interiores. Os ganhos
solares são calculados partindo dos valores da radiação incidente nas janelas, definidos nos dados
climáticos, tendo em consideração a orientação das mesmas, sombreamento de elementos
envolventes e ainda a posição das protecções solares.
Apesar do programa possuir informação sobre o posicionamento solar ao longo se todo o ano,
considera-se que essa posição não apresenta grandes alterações ao longo dos dias. Neste sentido,
com o objectivo de acelerar os cálculos, define-se como período de cálculo do sombreamento 20
dias, pois é o número médio de dias em se pode considerar que existem alterações significativas
nesta posição.
Para o modelo de cálculo da convecção interior e exterior, a escolha foi o modelo detalhado,
“Detailed”. Este modelo utiliza os princípios da ventilação natural, baseados nas diferenças de
temperaturas já referidos no capítulo teórico da ventilação.
23
Para acompanhar a convecção o EnergyPlus possui um módulo, que calcula o fluxo de ar infiltrado.
Este módulo pode realizar cálculos de forma mais pormenorizada, utilizando o programa Comis, mas
apresenta também a hipótese de um cálculo simples e mesmo a hipótese de ignorar este factor. A
opção a tomar neste caso irá variar de caso para caso e será explicada adiante.
Em termos de balanço energético final, foi escolhido o modelo “CTF”, que considera apenas as
transferências de calor, ignorando transferências de massa, como a humidade.
4.1.3. Fluxo de ar
Um dos parâmetros a estudar e que exige bastante atenção no programa é a disposição de janelas e
área de aberturas para o cálculo da renovação de ar da zona. Caso se pretenda que não exista
ventilação do espaço não é necessário introduzir nenhuma informação no programa. No entanto, se a
opção tiver sido pelo modelo Simple, devem ser introduzidos valores no módulo infliltration. Se o
modelo escolhido tiver sido o Comis, devem ser caracterizadas as várias condições de funcionamento
no módulo Comis Simulation.
4.1.3.1. Infiltration
A utilização da infiltração é feita por intermédio da escolha da opção Simple. O objectivo é simplificar
o cálculo da renovação de ar, uma vez que nesta opção o programa limita-se a considerar um valor
constante de caudal de infiltração que é depois multiplicado por um coeficiente, definido no
calendário. Este coeficiente diz respeito à ventilação e procura indicar se está disponível a ventilação
e em que percentagem do volume. Sempre que nas simulações a realizar não se pretenda avaliar
verdadeiramente o parâmetro da ventilação, esta deve ser a opção escolhida, sendo o valor
introduzido sempre multiplicado por um coeficiente de valor igual a 1, de forma a manter a ventilação
constante (caso RCCTE).
4.1.3.2. Comis Simulation
Na realização deste trabalho, para uma melhor avaliação das condições reais, utiliza-se um programa
mais complexo para análise da ventilação. A utilização de um bom modelo de simulação de
ventilação é fundamental para uma correcta avaliação das transferências de calor. “Devido à sua
estrutura modular” o programa EnergyPlus utiliza o modelo de simulação Comis de modo a obter
valores reais de ventilação do edifício, determinando, para as condições definidas, valores dos
caudais de ventilação. Estes valores são utilizados pelo programa para o cálculo da transmissão de
calor entre o exterior e o interior. O Comis possibilita várias alterações das condições de
funcionamento de um edifício através da alteração da disposição das janelas e de diferentes áreas de
abertura.
O Comis resolve as equações de pressão do fluxo associadas a uma rede de aberturas e percursos
de corrente, consequência de diversas condições de fronteira exterior e interior. Existe uma
interacção com o cálculo térmico do EnergyPlus, determinando num primeiro passo os fluxos de ar,
24
que são depois utilizados pelo EnergyPlus para realizar o balanço térmico e pelo HVAC para
determinar a temperatura interior, nesse passo. Num segundo passo utiliza essa temperatura para
definir novas condições de fluxo e voltar a fornecer essa informação ao EnergyPlus. A determinação
da informação a fornecer ao modelo é um dos principais objectivos deste trabalho, visto que terá
impacte nos outputs do modelo, e será realizada através dos calendários definidos para a ventilação
A maioria dos modelos considera todas as aberturas isoladamente e uniformes, negligenciando a
interacção dos vários constituintes do sistema e limitando a circulação de ar a uma única condição de
fronteira. Neste sentido é de grande importância definir as disposições e áreas de abertura que
melhor traduzem as opções de utilização dos ocupantes. Apesar de não ter sido calibrado para uma
solução em particular, foi necessário realizar várias experiências com o Comis para determinar que
condições podem ser consideradas credíveis no âmbito do trabalho.
Os dados a inserir para o cálculo do modelo de ventilação dizem respeito aos parâmetros de
funcionamento da simulação, mas também às características da zona, das superfícies e das
aberturas. O modelo definido pode ser caracterizado por uma zona com cinco janelas que são
reguladas pelas condições existentes na área em que se encontram, ZoneLevel.
As condições para abertura de janelas são controladas por dois tipos de metodologias distintas, mas
que podem ser utilizadas em simultâneo. A necessidade da zona ser ventilada ou não pode ser
controlada pela temperatura ou por um calendário que define aberturas constantes para
determinadas horas do dia. As opções são então, resumidamente, abertura constante controlada pelo
horário, abertura variável controlada pela temperatura e ainda abertura controlada pela temperatura e
pelo calendário.
A zona em estudo apresenta cinco superfícies largas e verticais (LVO), que formam janelas, com as
características definidas na planta de arquitectura. Definido o controlo, é necessário definir as
dimensões das aberturas que o programa pode utilizar. O primeiro valor a introduzir é o factor de
abertura referente a cada janela e que será diferente de caso para caso. Este factor de abertura é
utilizado para interpolar entre as possibilidades de aberturas (largura e altura) definidas para cada
janela – Tabela 3.
O programa exige o mínimo de duas possibilidades de abertura para permitir a interpolação entre
esses valores por multiplicação dos vários factores de abertura. Para facilitar, as duas possibilidades
de abertura introduzidas dizem respeito à situação em que a janela está aberta ou fechada, pois
assim, basta multiplicar o factor de abertura pelas dimensões para obter as dimensões da abertura. A
Tabela 3 indica os valores para as duas possibilidades de abertura.
Tabela 3 - Aberturas possíveis
Possibilidades de abertura
Coeficiente de descarga Factor de largura Factor de altura
Abertura #1 0.6 0 0
Abertura #2 0.6 1 1
25
Caso o tipo de controlo utilizado seja a temperatura, existe ainda um outro factor, aqui designado por
modulador de temperatura, que irá multiplicar o factor de abertura anterior e é caracterizado pela
função representada na Figura 9.
Figura 9 - Função que controla a abertura de janelas controladas pela temperatura
Os factores multiplicativos utilizados na situação de controlo por parte da temperatura têm como
objectivo controlar a área de abertura para grandes gradientes de temperatura entre o interior e o
exterior, uma vez que essa situação conduz a grandes caudais de infiltração indesejados. A Tabela 4
indica os valores utilizados para modelar a abertura para as diferenças de temperatura.
Tabela 4 - Factores modeladores da temperatura
Eixo Modelação de abertura Coeficientes
Valor a multiplicar pelo factor de abertura
Multiplicador máximo do factor de abertura
1.00
Multiplicador mínimo do factor de abertura
0.20
Diferenças de temperaturas que limitam
os multiplicadores
Menor valor da diferença de temperatura
2.00
Maior valor da diferença de temperatura
6.00
As dimensões geométricas das janelas são inseridas no campo que caracteriza as superficies
térmicas, mas por terem bastante relevância neste capítulo convém resumir as dimensões. A altura
das janelas na realidade é de cerca 2.2 metros, mas devido à existência de protecções em 70% da
área da janela, segundo as definições do RCCTE, a altura das janelas foi alterada para facilitar a
introdução dos dados. As dimensões, apesar de tudo, (Tabela 5) apresentam pouca importância, pois
o relevante é controlar a área efectiva de abertura. A Figura 10 ilustra a forma como é possivel
representar as aberturas no programa Comis.
Tabela 5 - Dimensões das janelas
Dimensões das janelas Altura [m] Largura [m]
Janela tipo 1 1.54 1.38
26
Figura 10 - Características das janelas a introduzir no programa
A Figura 11 resume os três valores necessários para controlar a área de abertura.
Figura 11 - Factores multiplicativos da área de abertura
Apesar da possibilidade de abertura de janelas, existem situações em que as mesmas se encontrarão
encerradas. Para essa condição o programa utiliza um método de análise diferente e que pode ser
definido pela equação de fluxo para fendas. A existência de fluxo é consequência da permeabilidade
do caixilho. Os valores obtidos apresentam pouco significado, por essa razão foram introduzidas
características genéricas de um caixilho de alumínio. A equação utilizada é a seguinte.
𝑄 = (𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑛𝑑𝑎) × 𝐶𝑄(∆𝑃)𝑛 - Equação de fluxo para fendas
Onde Q = massa do fluxo de ar (Kg/s) CQ = coeficiente da massa do fluxo de ar (Kg/s @1Pa) ΔP= diferença de pressão através da fenda (Pa) n= expoente do fluxo de ar
•Valor fixo para cada janelaFactor de abertura
• Igual a 1 se ΔT< 2ºC
• Igual a 0.2 se ΔT> 6ºC
•Varia linearmente entre os dois valoresFactor modelador da
temperatura
•Nada aberto #1
•Tudo aberto #2Aberturas
27
4.1.4. Elementos de construção da envolvente
A estrutura do EnergyPlus é modular, em que todos os campos devem ser preenchidos do pormenor
para o geral. Este grupo de elementos diz respeito às propriedades físicas dos elementos
construtivos da envolvente e do interior do edifício. Inicialmente começa-se por definir os materiais
para depois se utilizar esses parâmetros na definição dos elementos construtivos. As propriedades
que o programa necessita são a espessura, a condutividade, a densidade e o calor específico. Os
materiais utilizados e suas características são os típicos para elementos de construção em Portugal e
vão desde o tijolo furado e o betão para elementos estruturais, reboco, estuque e ladrilhos cerâmicos
para revestimentos, até ao poliestireno extrudido para isolamento térmico. Na definição dos materiais
(Figura 12) interessa não só definir as propriedades dos mesmos, mas também ser exacto no nome
que se atribui para facilitar a sua escolha nos campos seguintes.
Figura 12 - Propriedades dos materiais utilizados
Da mesma forma que se indica os materiais opacos, também é necessário realizar o mesmo
procedimento para os elementos que constituem os envidraçados, vidro e gás da caixa-de-ar.
Conhecendo os materiais pode passar-se para o campo Construction (Figura 13), onde se compõem
os elementos de construção utilizando os materiais já definidos.
Figura 13 - Constituição dos elementos construtivos
Novamente deve ser referido que os nomes com que se identificam os elementos de construção
serão utilizados na caracterização da geometria da superfície das zonas em estudo. A imagem
anterior resume os materiais utilizados, para a constituição do edifício, nos diferentes tipos de
elementos construtivos utilizados.
28
4.1.5. Descrição e caracterização das zonas e superfícies térmicas
Antes de se iniciar a introdução destes dados é fundamental tirar algumas conclusões em relação às
características do edifício. Dada a tipologia do edifício em estudo optou-se por estudar um piso
intermédio constituído por dois fogos, um T2 e um T3, ligados por uma zona comum onde existem os
caminhos de circulação vertical, escadas e elevadores. Dada esta constituição, desde logo se
distinguem três zonas distintas, duas correspondentes aos fogos e uma para a zona comum. Apenas
existe o objectivo de estudar as transmissões de calor nas habitações, mas devido ao facto de não
existirem preocupações em termos de aquecimento com a zona de circulação, é necessária a criação
de mais uma zona, à qual se atribui a designação de local interior não aquecido.
Definidas as zonas, com as suas coordenadas, volume e pé direito, o passo seguinte é caracterizar
as superfícies que delimitam os respectivos locais. Este campo necessita de todas as coordenadas
geométricas, bem como o tipo de elemento construtivo utilizado, que já foi definido anteriormente. O
processo implica a indicação dos quatro vértices do paramento, a tipologia de construção e as
condições externas a que se encontra sujeito.
Este grupo de dados diz respeito não só aos elementos opacos, mas também a envidraçados,
elementos de sombreamento fixo e ainda às protecções solares. O grande volume de dados não
possibilita a apresentação. No entanto, todas as dimensões são exactas e retiradas das plantas de
arquitectura do edifício a estudar. A Figura 14 seguinte ilustra uma imagem 3D do modelo criado para
as simulações.
Figura 14 - Imagem 3D das zonas caracterizadas no programa
4.1.6. Localização e clima
Antes de se iniciar a caracterização do local é preciso definir o período de simulação para que o
programa saiba que dados climáticos são necessários. Procura-se neste trabalho avaliar a altura do
ano em que os parâmetros em estudo apresentam maior impacte. A avaliação varia consoante a
simulação, pelo que os períodos serão definidos mais adiante.
A localização escolhida é a cidade de Lisboa com as coordenadas 38ºN de latitude e 9ºW de
longitude, localização que é caracterizada em termos de clima, pelo ficheiro climático do INETI para a
região de Lisboa. Para todas as simulações é necessário introduzir o respectivo ficheiro climático, que
foi retirado da base de dados do EnergyPlus e possui toda a informação necessária às simulações,
29
nomeadamente a posição do sol, radiação solar incidente, temperatura exterior, entre muitos outros
dados.
4.1.7. Calendários
Este grupo de objectos é de importância transversal a todo o programa. As informações inseridas
neste campo irão regular todos os dispositivos controlados pelos utilizadores, segundo os objectivos
que se pretende na realização deste trabalho. Os calendários definem valores horários a utilizar em
qualquer altura do ano e que são utilizados em cada passo de cálculo. É necessário criar um
calendário individual para cada dispositivo que se pretende controlar, para o qual é possível atribuir
valores que activem ou interrompam o seu funcionamento. A introdução desses valores é feita hora a
hora para o calendário diário, sendo depois indicada para cada dia da semana o calendário diário
definido, repetindo-se o processo para os meses em que se realizam as simulações.
É neste ponto que se atende à especificidade das condições reais de funcionamento do edifício.
Utilizando como base os conceitos revistos anteriormente e os objectivos do trabalho, foram criados
os calendários suficientes para controlar todos os parâmetros que se procura estudar. Os calendários
podem corresponder a todo o tipo de dados, desde valores de temperatura, a números contínuos e
mesmo valores indicativos do tipo de controlo.
4.1.8. Ganhos internos
Existem três origens de calor produzido internamente a considerar no programa: as pessoas, a
iluminação e os equipamentos eléctricos. Uma avaliação completa pressupõe a introdução da
informação sobre estes três intervenientes. Para uma avaliação mais simplificada é possível introduzir
apenas um ganho ao nível da iluminação regulado por um calendário de actividade, conjugando todos
os outros intervenientes.
No que diz respeito a equipamentos e iluminação, é necessário definir um nível de actividade que
indica, em Watt, a produção de calor e que é posteriormente multiplicado pelo valor introduzido no
calendário, definido para a utilização do respectivo equipamento. Para os ganhos produzidos pelas
pessoas, as diferenças residem na necessidade de definir um número de pessoas por fogo, que é
conjugado com um calendário que corrige esse mesmo número hora a hora. Também o nível de
actividade é, neste caso, definido por um calendário, que irá depender da actividade tipo de uma
família em cada período do dia.
Todas as simulações realizadas utilizaram apenas o campo dos ganhos com iluminação pois é o
suficiente para representar os ganhos internos da forma que se pretende. A introdução dos dados
neste campo é bastante simples, sendo apenas necessário um valor de ganhos médios por hora para
a totalidade da área da zona, em Watts, e o respectivo horário de funcionamento. O horário permite
que os ganhos sejam constantes ao longo das várias horas do dia, se tomar o valor de 1, mas
também que variem desde zero até qualquer valor que se pretenda, bastando introduzir um
coeficiente de multiplicação no calendário.
Para as várias simulações serão fornecidos valores médios para os ganhos (5,6 e 7W/m2) e os
valores que se pretendem para cada período do dia. O valor do coeficiente de determinada hora, para
30
o calendário diário, é obtido dividindo o valor que se observa na respectiva hora pelo valor médio da
simulação.
4.1.9. Mecanismos de climatização
4.1.9.1. Funcionamento
O principal objectivo da utilização destes mecanismos prende-se com a quantificação da energia útil
necessária à promoção das condições de conforto térmico, aqui traduzidas simplificadamente por
dois valores limite de temperatura do ar, um para o Inverno (20ºC), que não deve ser excedido
inferiormente; o outro para o Verão (25ºC), que não deve ser excedido superiormente.
Para atingir estes objectivos o programa permite definir para cada zona um termóstato de controlo de
temperatura da zona. Este termóstato mede a temperatura que se verifica na zona, em cada hora, e
determina se deve ou não fornecer ar frio ou quente para igualar a temperatura interior ao valor de
conforto.
O termóstato possui 4 tipos de controlo, sendo que só dois foram utilizados, o Single Heating Setpoint
(1) e Single Cooling Setpoint (2), controlo de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente. Para
que não exista aquecimento no verão e arrefecimento no inverno, situação que não se pretende, foi
definido um calendário que controla o termóstato, e que com o valor 1, de [1 de Outubro a 31 de
Maio] permite apenas aquecimento, e com o valor 2, de [1 de Junho a 30 de Setembro] apenas
permite arrefecimento. Quando não se pretende o funcionamento do aparelho o valor a definir é o
zero (0).
Os dois tipos de controlo referidos anteriormente são controlados por um calendário com valores de
temperatura iguais para todas as horas do dia. Os valores das temperaturas são 20ºC para o Single
Heating Setpoint e 25ºC para o Single Cooling Setpoint.
Como conclusão, na estação de arrefecimento, o aparelho apenas funciona para arrefecer e sempre
que a temperatura é superior a 25ºC e na estação de aquecimento funciona para aquecer a zona
quando a temperatura baixa os 20ºC.
4.1.9.2. Resultados energéticos
Existem vários resultados fornecidos pelo programa para o funcionamento do aparelho, no entanto,
para uma avaliação do consumo energético, o Output que interessa obter é denominado de HVA
Average Purchased Air Total Cooling Rate. Este resultado traduz, em Watts, a energia útil a fornecer
ao ambiente para atingir a temperatura que se pretende, sendo então possível, sabendo
características de uma máquina, determinar energia a total e consumo efectivo. Para os dois tipos de
necessidade serão utilizadas duas máquinas distintas, cujas características se encontram na Tabela
6.
31
Tabela 6 - Parâmetros característicos dos aparelhos de climatização
Parâmetro Unidades
Aquecimento Arrefecimento
Gás Natural Caldeira
Electricidade Bomba de calor
Custo unitário Cu € 0.54/m3 0.0965/kW
Rendimento η - 0.9 3
Poder calorífico inferior PCI KWh/m3 10.53 -
Os cálculos realizados para obter consumos e custos com a utilização dos aparelhos basearam-se na expressão seguinte.
Despesa =E
PCI × η× Cu
onde E= energia útil consumida PCI = Poder calorífico inferior η = Rendimento Cu = Custo unitário
32
5. Simulações
De seguida irão ser expostas as simulações dos três aspectos do comportamento real de edifícios
que se pretende estudar: ganhos internos, ventilação natural e ganhos solares. No estudo da
influência de cada parâmetro, os restantes dois são inseridos no programa com os valores fornecidos
pelo regulamento nacional, de forma a facilitar comparações entre resultados. Antes de se iniciar a
quantificação pormenorizada dos aspectos em estudo, tornou-se necessário a criação de um modelo
Base. A simulação Base serve de modelo para todos os parâmetros introduzidos e que não são caso
de estudo em determinada simulação. Estes valores são retirados do Regulamento nacional, RCCTE,
e procuram uniformizar as simulações, permitindo comparações entre elas sem a influência da
variação de outros parâmetros. Este modelo varia ligeiramente do verão para o inverno, no sentido de
se ajustar às condições definidas pelo RCCTE.
Para todos os parâmetros em estudo o objectivo é avaliar as variações ao nível da temperatura do ar
interior e dos consumos energéticos com a climatização. No caso da temperatura o propósito é
comparar a variação das temperaturas do ar interior entre: uma simulação sem o parâmetro de
estudo, uma simulação Base, com os valores do RCCTE e várias simulações com diferentes padrões
de utilização de cada parâmetro.
O cálculo das temperaturas é realizado num regime de funcionamento sem climatização, enquanto a
avaliação do consumo energético é feita com base num funcionamento horário do sistema de
climatização. O sistema encontra-se programado para funcionar sempre que a temperatura seja
inferior ou superior à temperatura de conforto, consoante se trate da estação de aquecimento ou
arrefecimento, respectivamente. Apesar de não se tratar de um funcionamento inteligente, por
funcionar em horas em que em algumas simulações não existe ocupação, este é o funcionamento
que melhor permite comparações entre necessidades de climatização. O fornecimento de energia é
realizado por um aparelho comum de climatização, sendo o resultado fornecido pelo programa a
energia útil consumida pelo respectivo aparelho, em Watt.
Todos os restantes modelos serão caracterizados nos respectivos capítulos antes da apresentação
dos resultados e respectivas observações.
33
5.1. Modelo Base
O modelo construído apresenta três zonas distintas, dois fogos e uma zona de circulação. O estudo
incide unicamente sobre um dos fogos, T2, apresentando as outras duas zonas condições realistas
para o seu uso. O outro fogo, o T3, é caracterizado pelos mesmos valores que o T2, enquanto a zona
de circulação está nas condições indicadas pelo RCCTE para este tipo de zona. Primeiramente é
necessário procurar todos os valores base que caracterizam o edifício em estudo. Devido à dispersão
dos dados no regulamento, a Tabela 7 resume as características gerais da zona a estudar.
Tabela 7 - Valores base definidos pelo RCCTE
Características do edifício
Tipo de edifício: Residencial
Localização: Lisboa Classe de exposição das fachadas
Exposição 1 Altura: 7 metros
Zonas climáticas: Inverno I1
Duração das estações Aquecimento 5,3 meses
Verão V2 Arrefecimento 4 meses
Definidas as zonas a caracterizar, é fundamental definir os períodos de corrida das simulações –
Tabela 8. No caso do estudo da temperatura interior, pretende-se avaliar o impacte dos parâmetros
nas situações em que a temperatura se afasta mais da temperatura de conforto. O período de
simulação corresponde às duas semanas em que a temperatura exterior é mais elevada, afastando-
se mais da de conforto. A avaliação do consumo energético tem o objectivo mais geral de analisar a
influência dos parâmetros em todo o período de aquecimento ou arrefecimento. Por esta razão, o
período de simulação apresenta a duração da respectiva estação, definida pelo RCCTE.
Tabela 8 - Datas das simulações
Períodos de simulação Parâmetro a avaliar
Temperatura Consumo energético
Estação
Estação de aquecimento
2 Semanas [1Janeiro; 15 Janeiro]
5 Meses [1Novembro; 31 Março]
Estação de arrefecimento
2 Semanas [15Julho; 1Agosto]
4 Meses [1Junho; 30setembro]
De notar que, nem para todos os parâmetros a estudar tem interesse simular todos estes períodos.
Na caracterização das simulações será alvo de análise o período de interesse das respectivas
simulações. Conhecendo estas características genéricas, é possível definir os valores base dos
parâmetros que se pretende estudar.
34
5.1.1. Ganhos internos
No que diz respeito aos ganhos internos o regulamento inclui todas as “fontes de calor situadas no
interior do espaço a aquecer, excluindo o sistema de aquecimento, nomeadamente o metabolismo
dos ocupantes, equipamentos e dispositivos de iluminação” [3]. Segundo o Quadro IV.3 do RCCTE,
os “Ganhos térmicos internos médios por unidade de área útil de pavimento”, para um edifício
“Residencial” apresentam um valor de 4W/m2.
5.1.2. Ventilação natural - Renovação do ar
Em relação à ventilação, o ponto 3 do ANEXO IV do RCCTE apresenta a metodologia de cálculo para
os valores convencionais das renovações por hora para edifícios de habitação. Devido ao
desconhecimento em relação ao projecto de ventilação, é obrigatório o cálculo deste valor
considerando que o edifício não se encontra conforme com a norma NP 1037-1, o que remete para o
Quadro IV.1 e respectivas notas. A classe de exposição foi já definida como Exp.1, as caixilharias
consideradas são de classe 2 e existe caixa de estore, razões pelas quais, segundo o respectivo
quadro, o valor das renovações de ar é de 0.8 h-1
. Este valor indicativo é no entanto agravado 0.2,
passando a ser de 1 renovação/hora, consequência da área de envidraçados ser superior a 15% da
área útil de pavimento e devido à simplificação de cálculos sobre os dispositivos de admissão de ar
nas fachadas.
5.1.3. Ganhos solares
As protecções solares são tratadas de forma diferente pelo RCCTE nas diferentes estações. Devido à
maior complexidade dos ganhos solares, foi necessário criar dois ficheiros diferentes. A informação a
introduzir no programa diz respeito à existência ou não de protecções solar em cada janela e o factor
solar da respectiva protecção.
O RCCTE indica que, na estação de aquecimento, “no cálculo do factor solar de vãos envidraçados,
deve ser considerada a existência de pelo menos, cortinas interiores muito transparentes de cor
clara” em toda a área do vidro. Já em relação ao verão o “factor solar do envidraçado deve ser
tomado com dispositivos de sombreamento móveis activos a 70%” ficando os restantes 30%
expostos directamente à radiação solar. A diferente área de exposição no verão implicou a criação de
duas janelas distintas, uma com área de 70% do envidraçado total e que apresenta uma protecção
totalmente activa e outra com 30% da área e sem nenhum tipo de protecção. Por observação do
Quadro V.4 do regulamento, durante o verão o factor solar com protecção activa a 100% e vidro
incolor corrente deve ter um valor de 0.07, enquanto no inverno de 0.7. A outra diferença reside no
facto da protecção no inverno ser interior e no verão exterior.
Mantendo as características do vidro iguais durante todo o ano o programa permite a activação ou
desactivação de protecções solares. Estas protecções devem ter valores que em conjunto com o
vidro correspondam ao valor do coeficiente de transmissão determinado no RCCTE. Os valores
utilizados foram iguais para todas as simulações e são o mais próximo possível dos valores tipo
35
indicados no regulamento. A Tabela 9 resume os valores indicados pelo RCCTE, para os
envidraçados, e os valores definidos nas simulações.
Tabela 9 - Tipos de protecções solares e respectivos factores solares
Protecções Solares Tipo de
envidraçado
Factor solar do
envidraçado Tipo de protecção
Factor solar da
protecção
Factor Solar global
Inverno
RCCTE Vidro incolor simples 6mm
0.85 Interior
Cortinas muito finas
0.70 0.70
Simulações Duplo 4mm
+4mm 0.78
Interior Baixa reflexão e
alta absorção 0.70 0.73
Verão
RCCTE Vidro incolor simples 6mm
0.85 Exterior
Persiana, réguas metálicas
0.07 0.07
Simulações Duplo 4mm
+4mm 0.78
Exterior Alta reflexão e baixa absorção
0.10 0.10
Conhecendo as características definidas pelo regulamento e determinados os valores para o fogo em
estudo, T2, a Tabela 10 seguinte resume os valores fundamentais a introduzir no programa.
Tabela 10 - Valores dos parâmetros em estudo
Zona 1
Fogo em estudo: T2
A=95.35 m2 V=266.98m3
Valor unitário Valor Global
Ganhos Internos 4 [W/m2] 381.4 [W]
Renovações horárias 1 h-1 266.98m3
Factor Solar do envidraçado Inverno = 0.73 Verão = 0.1
5.1.4. Características geométricas
A Figura 15 representa a planta do piso e o alçado principal do edifício em estudo. Sem entrar em
grande pormenor, estes desenhos são suficientes para ilustrar o tipo de edifício. O piso representado
é genérico e corresponde a um nível intermédio localizado entre dois pisos aquecidos.
36
Figura 15 – Alçado principal e planta de arquitectura do edifício em estudo
Para facilitar a visualização das características físicas da zona em estudo é apresentada a Figura 16,
onde é visível a tracejado o fogo estudado e os envidraçados da respectiva zona.
Figura 16 - Planta com os vértices utilizados para a introdução de dados no programa e respectivo alçado
37
5.2. Ganhos internos
A avaliação da importância dos ganhos internos no desempenho térmico e energético de um edifício
será realizada a partir de dois parâmetros fundamentais: a temperatura do ar interior em
funcionamento livre e o consumo de energia para obter as condições de conforto impostas pelo
RCCTE.
Após uma série de simulações iniciais, verificou-se que existem duas comparações que melhor
permitem abordar esta temática. Por um lado, é importante verificar a diferença entre as situações
com e sem ganhos internos do fogo; por outro lado, interessa também comparar a diferença entre o
caso do fogo com ganhos internos médios e constantes ao longo do dia, com o valor definido pelo
RCCTE, e o caso em que os ganhos internos são mais próximos dos reais em termos quer de valor
absoluto quer de período de funcionamento. Os períodos adoptados para o estudo térmico
correspondem a duas semanas tipo da estação de aquecimento e arrefecimento, já definidas no início
do capítulo. No que respeita ao estudo energético, o período de estudo será o correspondente à
duração das estações climáticas.
Devido à grande variabilidade que pode existir em termos da ocupação de um fogo, não é possível
definir com toda a clareza um valor de ganhos fixos. Este facto será evidenciado nos resultados
apresentados adiante. Deste modo, será simulado um conjunto de casos respeitantes a diferentes
regimes de ocupação credíveis, e efectuada a sua comparação com a simulação Base que utiliza o
valor de ganhos definido pelo RCCTE, correspondente a uma ocupação média permanente. As
simulações que levam em conta o regime de ocupação são realizadas para horários fixos, mas
variando os valores dos ganhos. Neste ponto será considerado um aumento gradual de 1W/m2, entre
o valor base do regulamento (4W/m2) e o valor máximo de 7W/m
2, de forma a melhor poder avaliar o
impacte de um nível crescente de ganhos internos. De notar que além do aumento do valor médio
dos ganhos, em relação ao RCCTE, os ganhos deixam de ser considerados constantes e passam a
apresentar valores variados consoante a ocupação tipo de determinado período.
Os casos em estudo serão denominados: 1.Simulação sem ganhos, 2.Simulação Base e
3.Simulações Reais. Na situação sem ganhos internos, as simulações são realizadas com um valor
nulo correspondente a este parâmetro (Tabela 11); na simulação Base, o valor dos ganhos é o
definido pelo RCCTE e é sempre o mesmo ao longo do tempo (Tabela 12); relativamente às
simulações Reais, os valores dos ganhos e os horários de ocupação são os que se apresentam nas
Tabelas 13,14 e 15. Na Figura 17 apresenta-se um gráfico ilustrativo do valor dos ganhos internos ao
longo de um dia para as diferentes simulações.
Tabela 11 - Simulação sem ganhos internos
Simulação sem ganhos
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 0 W/m2
38
Tabela 12 - Simulação Base
Simulação Base
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 4W/m2
Tabela 13 – Simulação com ganhos reais baixos
Tabela 14 - Simulação com ganhos reais médios
Simulação ocupação 6 W/m2
Horário [23h às 7h] [7h às 9h] [9h às18h] [18h às 23h]
Tipologia de ocupação
Dormir W/m2 Pico manhã W/m2 Vazio W/m2 Pico Noite W/m2
Pessoas Dormir 2.65 Actividade
Leve 3.71 - 0
Actividade Média
4.55
Luzes - 0 1hora de nível
de ganhos baixos
2.50 - 0 Nível de
ganhos baixos 5.00
Equipamento - 0 1hora de
Esquentador 3.62 - 0
Frig+tv+pc +Ap. Dom.
8.10
Duração 7h 2.65 2h 9.83 9h 0 6h 17.65
Simulação ocupação 5 W/m2
Horário [23h às 7h] [7h às 9h] [9h às18h] [18h às 23h]
Tipologia de ocupação
Dormir W/m2 Pico manhã W/m2 Vazio W/m2 Pico Noite W/m2
Pessoas Dormir 2.65 Actividade
Leve 3.75 - 0 Actividade Média 4.36
Luzes - 0 1hora de nível
de ganhos baixos
2.50 - 0 Nível de ganhos
baixos 4.00
Equipamento - 0 1hora de
Esquentador 3.62 - 0 Frig+tv+pc 5.24
7h 2.65 2h 9.87 9h 0 6h 13.60
39
Tabela 15 - Simulação com ganhos reais altos
Simulação ocupação 7 W/m2
Horário [23h às 7h] [7h às 9h] [9h às18h] [18h às 23h]
Tipologia de ocupação
Dormir W/m2 Pico manhã W/m
2 Vazia W/m
2 Pico Noite W/m
2
Pessoas Dormir 2.65 Actividade
Leve 4.70 - 0.00 Actividade Alta 5.10
Luzes - 0.00 1hora de nível
de ganhos baixos
2.50 - 0.00 Nível de ganhos
médios 6.00
Equipamento - 0.00 1hora de
Esquentador +Frigorifico
5.70 - 0.00 Frig+tv+pc +Ap.
Dom. +Eq. Eléctrico
9.50
7horas 2.65 2horas 12.90 9horas 0.00 6horas 20.60
Figura 17 – Gráfico da variação dos ganhos internos ao longo do dia
5.2.1. Impacte na temperatura do ar interior
As Figuras 18 e 19 mostram a variação da temperatura do ar interior para o período de estudo já
referido, correspondente a cada uma das estações de climatização (aquecimento e arrefecimento),
para as diferentes simulações. Depois de uma análise prévia dos resultados verificou-se que a
simulação com produção de 5 W/m2 fornece resultados muito próximos dos da simulação Base, pelo
que, por razões de clareza, não foram representados graficamente.
O andamento das temperaturas do ar interior em todas as simulações acompanha muito de perto a
variação da radiação solar e da temperatura exterior (também não representada por questões de
clareza do gráfico), verificando-se que as temperaturas mais elevadas, em todos os casos e como
seria de esperar, correspondem às horas de maior calor. No entanto, é bem visível a diferença entre
os gráficos das diferentes simulações, a qual mantém-se praticamente constante ao longo dos dias, e
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
01/0
1 0
1:00
:00
01/0
1 0
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01/0
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Val
or
do
s ga
nh
os
[W/m
2 ]
Variação diária dos ganhos internos
Simulação Base
ocupação 6 W/m2
ocupação 7 W/m2
ocupação 5 W/m2
40
é devida à influência dos ganhos de ocupação interna. Esta diferença é bastante mais acentuada
entre as simulações com e sem ganhos.
Figura 18 - Diferença das temperaturas entre as várias simulações na estação de aquecimento
Figura 19 - Diferença das temperaturas entre as várias simulações na estação de arrefecimento
As Figuras 20 e 21 mostra-se um pormenor dos gráficos anteriores, para dias aleatórios de cada uma
das estações, em que se evidencia as diferenças entre a simulação Base e duas das simulações
reais que integram um valor de ganhos um pouco superior e distribuído de forma diferente no tempo.
13.0014.0015.0016.0017.0018.0019.0020.0021.0022.0023.00
01/0
1 0
1:00
:00
01/0
1 1
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:00
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2 0
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3 1
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4 0
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4 1
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5 0
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0 1
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1 1
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2 0
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2 1
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3 0
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3 1
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01/1
4 0
1:00
:00
01/1
4 1
3:00
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01/1
5 0
1:00
:00
01/1
5 1
3:00
:00
Tem
pe
ratu
ra [º
C]
Temperaturas internas
S. sem ganhos Simulação Base ocupação 6 W/m2 ocupação 7 W/m2
23.0024.0025.0026.0027.0028.0029.0030.0031.0032.0033.00
07/1
5 0
1:0
0:0
0
07/1
5 1
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0:0
0
07/1
6 0
7:0
0:0
0
07/1
6 2
2:0
0:0
0
07/1
7 1
3:0
0:0
0
07/1
8 0
4:0
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0
07/1
8 1
9:00
:00
07/1
9 1
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0:0
0
07/2
0 0
1:0
0:0
0
07/2
0 1
6:0
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0
07/2
1 0
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1 2
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07/2
2 1
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07/2
3 0
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07/2
3 1
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07/2
4 1
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07/2
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07/2
5 1
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07/2
6 2
2:00
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07/2
7 1
3:0
0:0
0
07/2
8 0
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07/2
8 1
9:0
0:0
0
07/2
9 1
0:0
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0
07/3
0 0
1:0
0:0
0
07/3
0 1
6:0
0:0
0
07/3
1 0
7:0
0:0
0
07/3
1 2
2:00
:00
08/0
1 1
3:0
0:0
0
Tem
per
atu
ra [º
C]
Temperaturas internas
S. sem ganhos Simulação Base ocupação 6W/m2 ocupação 7W/m2
41
Figura 20 - Valor das temperaturas, na estação de aquecimento, das simulações com ganhos internos
Figura 21 - Valor das temperaturas, na estação de arrefecimento, das simulações com ganhos internos
Uma primeira conclusão a retirar é que, apesar das distribuições no tempo dos ganhos internos entre
as simulações reais e a simulação Base serem diferentes, a forma das curvas da temperatura interior
é muito semelhante em todos os casos, diferindo apenas nos valores alcançados. Verifica-se também
que existe uma ligeira aproximação das temperaturas nas horas em que as simulações não
apresentam ocupação e um afastamento nas horas de pico. No entanto o principal aspecto a referir é
o facto de o RCCTE apresentar uma previsão de ganhos mínimos, e que uma qualquer ocupação
15.0016.0017.0018.0019.0020.0021.0022.00
Tem
pe
ratu
ra [º
C]
Temperaturas horárias
Simulação Base ocupação 6 W/m2 ocupação 7 W/m2
27.00
28.00
29.00
30.00
31.00
32.00
33.00
Tem
per
atu
ra 8
ºC]
Temperaturas horárias
Simulação Base ocupação 6W/m2 ocupação 7W/m2
42
com apenas alguns equipamentos e iluminação conduz a temperaturas superiores às da simulação
Base (RCCTE) na ordem de 1ºC.
Para melhor quantificar o impacte dos ganhos internos na temperatura do ar interior, apresentam-se
nas tabelas seguintes – Tabelas 16 e 17 – alguns indicadores para este efeito, nomeadamente
temperaturas média, máxima e mínima para cada um dos casos simulados.
Tabela 16 - Temperaturas interiores na estação de aquecimento
Temperatura
exterior S. sem ganhos S. Base
4W/m2
Ocupação 5W/m
2
Ocupação 6W/m
2
Ocupação 7W/m
2
T Média [ºC] 11.52 15.48 17.42 17.73 18.11 18.51
T Máximo [ºC]
17.30 19.21 21.16 21.43 21.81 22.24
T Mínimo [ºC] 6.50 13.56 15.45 15.84 16.26 16.70
Tabela 17 - Temperaturas interiores na estação de arrefecimento
Temperatura
exterior S. sem ganhos S. Base
4W/m2 Ocupação
5W/m2 Ocupação
6W/m2 Ocupação
7W/m2
T Média [ºC] 22.89 26.54 28.57 28.97 29.39 29.80
T Máximo [ºC]
32.70 29.10 31.37 31.77 32.08 32.39
T Mínimo [ºC] 11.40 23.92 25.87 26.24 26.68 27.12
Como é possível observar, existe um aumento óbvio das temperaturas médias com o aumento dos
ganhos, atingindo a diferença entre as simulações com e sem ganhos internos valores da ordem dos
2ºC, em qualquer uma das estações. Também entre simulações com ganhos internos as diferenças
são significativas, constituindo os ganhos definidos no RCCTE uma estimativa que pode conduzir a
diferenças de 1ºC em relação a casos de ocupação/utilização mais intensa.
Pela observação das tabelas, a situação que se afigura mais favorável do ponto de vista térmico, ou
seja, em que as temperaturas mais se aproximam do valor convencional do conforto é, no caso do
inverno, o correspondente à simulação com maior valor de ganhos internos (7W/m2). No entanto é de
esperar que este caso, que é o mais favorável no inverno, seja o mais desfavorável no verão. De
facto a Tabela 17 assim o indica, mostrando que ao nível mais elevado de ganhos internos
corresponde a gama de temperaturas interiores mais afastada do valor convencional de conforto no
verão.
Esta diferença de comportamento na vertente térmica entre o inverno e o verão pode ter um resultado
importante na vertente energética. De facto, uma análise energética global abrangendo o conjunto
das duas estações pode conduzir a resultados bastante diferentes dos que se obtêm para cada uma
das estações quando analisadas individualmente. Este assunto é objecto de análise no ponto
seguinte.
43
5.2.2. Impacte nos consumos energéticos
Uma análise em termos dos consumos energéticos (segundo o capítulo 4.1.9.2) tem a particularidade
de permitir quantificar globalmente o impacte dos ganhos internos. Devido ao facto dos ganhos
internos apresentarem benefícios numa estação e prejuízo na outra, como já foi referido, esta análise
é importante para verificar em que medida existe compensação no custo final. As tabelas e figuras
seguintes – Tabela 18, 19 e 20 e Figuras 22, 23 e 24 - apresentam os valores dos consumos para o
funcionamento da climatização sempre que a temperatura apresenta um valor que implique
aquecimento ou arrefecimento.
Tabela 18 - Consumo energético com aquecimento
Inverno S. sem ganhos S. Base 4W/m2
Ocupação 5W/m2
Ocupação 6W/m2
Ocupação 7W/m2
Soma [W] 4057655.74 2690858.72 2379259.18 2051608.89 1734925.28
Média horária [W]
1119.66 742.51 656.53 566.12 478.73
Custo final € 232.79 154.38 136.50 117.70 99.53
Figura 22 - Variação dos custos com aquecimento
Tabela 19 - Consumo energético para arrefecimento
Verão S. sem ganhos S. Base 4W/m2
Ocupação 5W/m2
Ocupação 6W/m2
Ocupação 7W/m2
Soma [W] 680826.28 1414188.15 1629394.85 1775137.75 1923808.43
Média horária [W] 232.52 482.99 556.49 606.26 657.04
Custo final € 21.90 45.49 52.41 57.10 61.88
0.00
50.00
100.00
150.00
S. sem ganhos
Simulação Base
ocupação 5W/m2
ocupação 6W/m2
ocupação 7W/m2
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total Aquecimento
44
Figura 23 - Variação dos custos com arrefecimento
Tabela 20 – Consumo energético anual para climatização
Total S. sem ganhos S. Base 4W/m2
Ocupação 5W/m2
Ocupação 6W/m2
Ocupação 7W/m2
Custo final € 254.69 199.87 188.91 174.80 161.42
Figura 24 - Custos finais da climatização
Como seria de esperar, na estação de aquecimento, o aumento da temperatura com os ganhos
internos conduziu a uma diminuição da potência consumida pelo aparelho de climatização e
respectivo custo. Ao contrário, na estação de arrefecimento os ganhos internos conduziram a um
aumento da potência. Verifica-se pela Figura 24 que a situação de maior ocupação constitui aquela
que conduz a um valor menor de custo, o que mostra que se verificou uma maior compensação, para
esta simulação, entre as duas estações do que para as restantes simulações.
No total consumido ao longo dos dois períodos de climatização, é possível observar – Tabela 21-
que um fogo com ganhos internos poupa no mínimo 13% de energia em climatização, em relação a
0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.00
S. sem ganhos
Simulação Base
ocupação 5W/m2
ocupação 6W/m2
ocupação 7W/m2
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total Arrefecimento
95.00
100.00
105.00
110.00
115.00
120.00
125.00
130.00
S. sem ganhos
Simulação Base
ocupação 5W/m2
ocupação 6W/m2
ocupação 7W/m2
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total Climatização
45
um sem ocupação. O RCCTE, com o seu valor de ganhos internos, pode conduzir a gastos
energéticos cerca de 10% superiores aos que realmente se verificam em condições reais de
funcionamento.
Tabela 21 - Diminuição percentual dos custos em relação à situação mais desfavorável
S. sem ganhos S. Base
4W/m2 Ocupação
5W/m2 Ocupação 6W/m2
Ocupação 7W/m2
Percentagens 100.00% 86.63% 84.60% 80.76% 77.21%
Diminuição 0.00% 13.37% 15.40% 19.24% 22.79%
5.3. Ventilação natural
A inclusão do programa COMIS, no EnergyPlus, tornou possível análises que determinam com
precisão a performance de um vasto espectro de cenários de disposição e abertura de janelas em
termos da ventilação induzida. O programa permite avaliar não só a variação das trocas de energia e
as cargas térmicas provocadas por determinado cenário de ventilação, mas também analisar as suas
implicações ao nível do conforto térmico, condensação, qualidade do ar e luz solar.
Para uma completa análise do efeito da ventilação natural, o programa tem em consideração a área
de abertura de janelas, definida por um calendário de controlo, a pressão do vento induzida nas
fachadas e ainda as diferenças de pressão e temperatura nos dois lados das aberturas [16].
Como já foi referido, o modelo Base, que incorpora as exigências do RCCTE, considera caudais de ar
constantes ao longo do dia com um valor fixo próximo de uma renovação por hora. Neste objectivo de
avaliar a importância dos utilizadores no funcionamento dos edifícios, um dos aspectos interessantes
a analisar é o dos impactes térmicos e energéticos no fogo produzido por diferentes regimes de
ventilação e verificar a sua relação com o modelo Base. Para verificar o impacte dos utilizadores nas
condições de funcionamento de um fogo foram realizadas uma série de simulações que conjugam
diferentes cenários de disposição e abertura de janelas, tendo por base diversos horários de
funcionamento. Estas simulações procuram de alguma forma traduzir o comportamento dos
ocupantes da habitação no que diz respeito à abertura de janelas.
Para a estação de arrefecimento, altura em que existe a tendência e necessidade da abertura de
janelas, o problema da ventilação apresenta um maior número de casos interessantes de simulação.
Na estação de aquecimento, apesar de não existir por parte dos utilizadores necessidade de abertura
de janelas por razões de conforto térmico, importa também analisar o impacte da ventilação neste
período no desempenho térmico dos edifícios.
No capítulo teórico dedicado à ventilação, foram analisados os motivos que levam à abertura de
janelas por parte dos ocupantes. As simulações realizadas procuraram responder a essas exigências
tendo sido realizadas sete simulações, em que uma delas corresponde à simulação sem ventilação
ou infiltração (Tabela 22), outra diz respeito à simulação Base (Tabela 23), com a exigência do
RCCTE, e as outras cinco correspondem a soluções mais reais de aberturas de janelas.
46
Nas simulações controladas pelos ocupantes, os factores tidos em consideração são o período do dia
em que varia a ocupação e os níveis de temperatura interior e exterior. Com estes factores e pela
análise de várias simulações teste é possível afirmar que as simulações com resultados mais
interessantes são as seguintes: Ventilação constante sempre que existe ocupação (Tabela 24),
ventilação controlada pela temperatura (Tabela 26), ventilação controlada pela ocupação e pela
temperatura (Tabela 27), ventilação controlada pela não ocupação (Tabela 28), ventilação nocturna
cruzada (Tabela 25).
As tabelas seguintes indicam os parâmetros de funcionamento da ventilação para as várias
simulações.
Tabela 22 - Simulação sem ventilação
Simulação sem ventilação ou infiltração
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 0 Rph
Tabela 23 - simulação Base (RCCTE)
Simulação Base
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 1Rph
Tabela 24 - Ventilação ocupação nocturna
Simulação ventilação zona ocupada (nocturna)
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo
Área de abertura/janela
Janelas abertas
Ocupação Nocturna
[18h às 9h] Constante 31 cm2
3 Janelas a sul
Vazio [9h às 18h] Constante 0 cm2 Nenhuma
Tabela 25- Ventilação cruzada para ocupação nocturna
Simulação ventilação zona ocupada (nocturna)
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo
Área de abertura/janela
Janelas abertas
Ocupação Nocturna
[18h às 9h] Constante 31 cm2
1 Janela SUL + 1 Janela Norte
Vazio [9h às 18h] Constante 0 cm2 Nenhuma
47
Tabela 26 - ventilação com temperatura interior superior a 20ºC
Simulação ventilação controlo de temperatura
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo Área de
abertura/janela Janelas abertas
Constante [0h às 24h] Temperatura
da Zona 0 a 31 cm
2 3 Janelas a sul
Tabela 27 - Ventilação que conjuga ocupação com a temperatura
Simulação ventilação controlo de temperatura e zona ocupada (nocturna)
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo
Área de abertura/janela
Janelas abertas
Ocupação Nocturna
[18h às 9h] Temperatura da Zona 0 a 31 cm2 3 Janelas a sul
Vazio [9h às 18h] Constante 0 cm2 3 Janelas a sul
Tabela 28 - Ventilação em período de desocupação
Simulação ventilação zona desocupada
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo
Área de abertura/janela
Janelas abertas
Ocupação Nocturna
[18h às 9h] Constante 0 cm2 Nenhuma
Vazio [9h às 18h] Constante 31 cm2 3 Janelas a sul
Definidos estes regimes de funcionamento da ventilação, antes de analisar a evolução das
temperaturas do ar interior, convém observar os valores de renovação médios e máximos – Tabela
29 e Figura 25 - para os vários casos, de forma a eliminar situações não credíveis.
Tabela 29 - Valores dos caudais de renovação
Valores dos caudais de renovação
Regime de ventilação
S. Base Zona
ocupada Controlo de temperatura
Zona ocupada e controlo de temperatura
Zona desocupada
Cruzada zona
ocupada
Média [m3] 266.98 515.35 542.78 487.57 205.59 569.25
Valor de pico [m3]
266.98 1053.43 966.17 969.27 1068.58 2168.49
Renovações médias [h-1]
1.00 1.93 2.03 1.83 0.77 1.10
Renovações de pico [h-1]
1.00 3.95 3.62 3.63 4.00 8.12
48
Figura 25 - Valor médio das renovações
Verifica-se pela análise da tabela anterior que as renovações médias apresentam valores razoáveis
para uma situação de ventilação durante o verão, em que o objectivo é baixar a temperatura do ar
interior. As três simulações controladas pela ocupação e pela temperatura apresentam valores
médios de 2 renovações por hora, com aberturas de pequenas dimensões. Tal facto indica que o
valor definido pelo regulamento é baixo quando se tem em consideração a possibilidade de abertura
de janelas. Os valores máximos (valores de pico) que ocorreram no período de simulação, apesar de
elevados em relação às médias registadas, são bastante credíveis, não ultrapassando os valores
razoáveis para a estação de verão.
Entre os casos da ventilação cruzada e ventilação de um só lado, verifica-se que o valor médio das
renovações horárias é menor no primeiro caso, o que está de acordo com a menor área de aberturas
que também lhe corresponde. No entanto, o contrário acontece relativamente aos valores de pico, em
que na ventilação cruzada eles são bastante significativos. Daqui pode concluir-se que este tipo de
ventilação permite, com um menor volume de renovações por dia, reduzir drasticamente a
temperatura interior na altura em que se pretende, através de elevados caudais de infiltração.
Conhecidos os valores dos caudais associados às diferentes simulações, passa-se à análise do seu
impacte ao nível das temperaturas e consumos energéticos.
5.3.1. Impacte na temperatura média do ar interior no verão
Os valores obtidos para a temperatura podem ser observados na Tabela 30 e na Figura 26. A Figura
26 é particularmente importante para a comparação entre os casos com e sem ventilação.
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
Nº
de
ren
ova
ções
[h-1
]
Ventilação natural
Renovações médias [h-1]
49
Tabela 30 - Temperaturas interiores dos vários casos.
T [ºC] Média Máxima Mínima
Simulação sem ventilação 36.62 37.83 35.44
Simulação Base 28.57 31.37 25.87
Zona ocupada 27.11 31.50 22.08
Controlo de temperatura 27.14 31.49 22.41
Zona desocupada 33.24 35.18 29.22
Zona ocupada e controlo da temperatura 27.33 31.58 22.49
Ventilação cruzada zona ocupada 26.73 31.32 20.49
Figura 26 - Diferença de temperatura entre existência ou não de ventilação
Da observação dos resultados ressalta imediatamente a grande diferença nas temperaturas do ar
interior entre os casos com ventilação e o caso limite de ausência completa da mesma. Esta
comparação mostra a extrema importância da ventilação dos edifícios para a melhoria das condições
de conforto térmico na estação quente. Entre as simulações com ventilação também se observam em
alguns casos diferenças importantes ao nível da evolução da temperatura interior. Neste caso, a
maior diferença observa-se na comparação com o caso Base, que utiliza as condições de ventilação
do RCCTE. Observa-se que estas diferenças de temperatura entre qualquer outro regime de
ventilação e o correspondente ao caso Base traduzem-se em valores que podem variar entre 1º C e
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Temperatura interior
S. sem ventilação S. Base zona ocupada
controlo de Temp. vent cruzada zona ocupada Temp Exterior
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3ºC. A Figura 27 ilustra com maior pormenor a diferença entre a simulação Base e as simulações de
outros regimes.
Figura 27 - Temperaturas interiores de dois dias típicos de verão
Relativamente aos casos com regimes de ventilação diferentes do RCCTE, as diferenças não são
muito acentuadas, sobretudo à noite, em que as curvas são praticamente coincidentes – Figura 28.
Este facto também se explica pelas funções que activam a ventilação. Assim, verifica-se que em
todos eles a ventilação funciona no período nocturno e daí a proximidade dos resultados neste
período. De facto, numa das simulações o período nocturno em que ocorre ocupação é a única
condição necessária para a ventilação; noutro, a ventilação é controlada pelos níveis de temperatura
do ar interior e exterior (independente da ocupação); ora, como no período da noite a temperatura do
ar exterior é mais fresca que no interior é verificada a condição para se processar a ventilação e,
assim, ela ocorre, portanto, durante a noite, tal como no caso anterior. Finalmente, o caso da
ventilação controlada pela temperatura e ocupação acaba por se fundir num dos outros casos
(porque a ocupação é nocturna e porque, no período nocturno, as gamas de temperatura que se
verificam tanto no interior como no exterior quase sempre permitem que ocorra ventilação).
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Temperaturas interiores
S. Base zona ocupada
controlo de Temp. zona ocup. Controlo de temp.
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Figura 28 - Temperaturas interiores simulações com controlo dos utilizadores
Resta avaliar o impacte da ventilação cruzada, que apesar dos valores médios de renovações
próximos do caso Base, conduz a temperaturas médias inferiores em mais de 1ºC em relação a este
caso. O programa Comis é inovador no facto de permitir o cálculo, tanto de ventilação em apenas
uma fachada, “single-sided” [12], como de ventilação cruzada, “crossed ventilation” [12]. A Figura 29
compara estes dois casos para o mesmo período de funcionamento da ventilação. É bem visível a
menor temperatura do caso da ventilação cruzada, mesmo com uma menor área de abertura, como
era esperado.
Figura 29 - Temperaturas interiores de simulações com funcionamento nos mesmos períodos
26.5027.0027.5028.0028.5029.0029.5030.0030.5031.0031.50
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Temperaturas interiores
zona ocupada vent cruzada zona ocupada
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Um aspecto que interessa referir, por permitir comparações com as simulações realizadas no inverno,
é a grande diferença entre a ventilação nos períodos de ocupação e a que ocorre nos períodos de
não ocupação. Nas simulações da estação de arrefecimento, a ventilação diurna, nas horas em que a
zona não se encontra ocupada, conduz a temperaturas interiores muito elevadas – Figura 30 - por
ocorrer principalmente nas horas de maior calor e não permitir renovações nas horas mais frescas.
No inverno, a situação inverte-se e interessa verificar se a promoção da ventilação nessas horas não
cria condições térmicas mais desfavoráveis do que a situação de não ventilação.
Figura 30 - Temperaturas interiores para ventilação controlada pela ocupação
5.3.2. Impacte na temperatura média interior do ar no Inverno
O menor número de cenários de disposição da abertura de janelas com interesse no inverno conduz
a resultados mais simples. As comparações que interessam realizar, para avaliação do impacte do
regime de ventilação na temperatura, dizem respeito às simulações: situação sem ventilação (Tabela
31); ventilação nas condições do RCCTE (simulação Base) (Tabela 32); e ainda ventilação para zona
desocupada (período diurno) (Tabela 33). Este ultimo caso pretende traduzir um comportamento dos
ocupantes que se traduz na abertura de janelas no período em que não há ocupação para renovação
do ar e consequentemente melhoraria da sua qualidade.
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Temperaturas interiores
zona ocupada zona desocupada
53
Tabela 31 - Simulação sem ventilação
Simulação sem ventilação
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 0 Rph
Tabela 32 - Simulação Base (RCCTE)
Simulação Base
Horário [0h às 24h]
Tipologia de Ocupação Constante
Valor 1Rph
Tabela 33 - Ventilação em período diurno
Simulação ventilação zona desocupada (diurna)
Tipologia de ocupação
Horário Tipo de controlo
Área de abertura/ janela
Janelas abertas
Ocupação Nocturna
[18h às 9h] Constante 0.00 Nenhuma
Vazio [9h às 18h] Constante 31 cm2 3 Janelas a sul
Para estas condições foram obtidos os caudais de infiltração que se encontram na Tabela 34.
Tabela 34 - Caudais de renovação
S. sem
ventilação Simulação Base
Ventilação zona desocupada
Média [m3] 0 267.00 283.49
Pico [m3] 0 267.00 1306.88
Renovações médias [h-1]
0 1 1.06
Renovações de pico [h-1]
0 1 4.89
Os valores das renovações médias são bastante interessantes pelo facto das condições definidas
para a ventilação diurna conduzirem a renovações de ar médias semelhantes às produzidas pela
simulação Base (RCCTE). Constatada esta semelhança torna-se interessante comparar as duas
simulações no que diz respeito à temperatura do ar interior. Verifica-se pela Tabela 35 que no fogo
em estudo seria possível ventilar o seu interior no inverno, com valores de renovações próximos dos
considerados no RCCTE, mantendo a temperatura em condições razoáveis.
54
Tabela 35 - Temperaturas do ar interior na estação de aquecimento
T [ºC] T exterior S. sem
ventilação Simulação Base
Ventilação zona desocupada
Média 11.52 23.64 17.17 19.76
Máximo 17.30 26.59 19.33 21.44
Mínimo 6.50 21.71 15.65 15.86
Sobre as simulações realizadas é ainda possível observar uma questão importante. A primeira diz
respeito à situação sem ventilação, em que a temperatura interior nunca é inferior à temperatura de
conforto. Esta condição seria claramente a ideal para diminuir os consumos energéticos com
aquecimento. No entanto, tal situação, como se sabe, é indesejável do ponto de vista das condições
do ambiente interior e patologias da construção, pelos problemas que dai poderiam resultar quer ao
nível das condensações quer da qualidade do ar.
As condições definidas para ventilação diurna demonstram que é possível realizar a ventilação de
uma habitação, com um valor médio de uma renovação por hora, mantendo temperaturas no período
de funcionamento bastante razoáveis. O andamento da temperatura – Figura 31 - mostra que apesar
da grande redução da temperatura no período em que é permitido ventilar, essa diminuição não
prejudica a temperatura no período de ocupação, que se mantém próxima da temperatura de
conforto.
55
Figura 31 - Temperaturas para simulações no inverno com variação das renovações de ar
5.3.3. Impacte nos consumos energéticos no Verão
Avaliado o impacte da ventilação na temperatura do ar interior em função do regime de ocupação do
fogo, passa-se à quantificação dos consumos energéticos na estação de arrefecimento. Na Tabela 36
mostram-se estes consumos e na Figura 32 e Tabela 37 apresenta-se análise de custos respectiva,
com base nas considerações do ponto 4.1.9.2. referente à climatização.
Tabela 36 - Consumos da climatização para as simulações da ventilação
Consumos Energia útil
[W] Média horária
[W] Energia Total
[kWh] Custo Total
[€]
Simulação sem ventilação 1927526.15 658.31 642.51 62.00
Simulação Base 1414188.15 482.99 471.40 45.49
Zona ocupada 744986.10 254.44 248.33 23.96
Controlo de temperatura 724533.35 247.45 241.51 23.31
Zona desocupada 2495459.07 852.27 831.82 80.27
Zona ocupada e controlo da temperatura
746093.20 254.81 248.70 24.00
Ventilação cruzada zona ocupada 514175.27 175.61 171.39 16.54
5
10
15
20
25
3001
/01
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0
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1:00
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01/0
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:00
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3 1
3:00
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4 0
1:00
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01/0
4 1
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5 1
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01/0
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01/0
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7 1
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:00
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8 1
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01/0
9 1
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0 0
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1 0
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1 1
3:00
:00
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2 0
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2 1
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3 0
1:00
:00
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3 1
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4 0
1:00
:00
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4 1
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5 0
1:00
:00
01/1
5 1
3:00
:00
Tem
per
atu
ra [º
C]
Temperatura interior inverno
T exterior S. sem vent simulação Base zona desocupada
56
Figura 32 - Consumos climatização
Tabela 37 - Variação dos custos em relação à situação mais desfavorável
Percentagens Diminuição
Simulação sem ventilação 100.00% 0.00%
Simulação Base 73.37% 26.63%
Zona ocupada 38.65% 61.35%
Controlo de temperatura 37.59% 62.41%
Zona desocupada 129.46% -29.46%
Zona ocupada e controlo da temperatura 38.71% 61.29%
Ventilação cruzada zona ocupada 26.68% 73.32%
Como seria de esperar, a variação dos custos ao longo de toda a estação de arrefecimento
acompanha as alterações da temperatura interior. A ocorrência de ventilação, mesmo para as
condições do RCCTE, diminui mais de 30% os custos com energia. As simulações que representam
o comportamento típico dos ocupantes da habitação chegam a mostrar reduções de mais de 60%,
conduzindo a consumos quase desprezáveis para a duração da estação de arrefecimento.
0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total
57
5.4. Ganhos solares
Os ganhos solares, como já foi referido são, juntamente com os ganhos internos, os principais
responsáveis pelos ganhos de calor de uma habitação. Devido ao facto de ocorrerem principalmente
na hora de maior calor contribuem ainda mais para as necessidades de arrefecimento. As simulações
realizadas irão incidir sobre a estação de arrefecimento com o objectivo de avaliar medidas que
melhorem o desempenho térmico dos edifícios, em relação a este tipo de ganhos, e reduzam os
consumos de energia nesta estação.
As protecções solares podem ser fixas ou móveis. As móveis podem ser controladas, especificando
calendários de utilização que tenham em atenção as condições interiores do fogo ou um horário de
utilização.
As variáveis para o controlo das protecções solares podem ser a radiação incidente na janela, a
temperatura exterior, a temperatura interior e ainda o desconforto provocado pelo encadeamento da
luz solar. Apesar das possibilidades existentes no programa, as simulações irão centrar-se nos
factores ocupação e temperatura, à semelhança dos restantes estudos realizados.
A avaliação do impacte das protecções solares no desempenho térmico e energético dos edifícios
incluirá: uma simulação sem protecções (Tabela 38); a simulação Base (Tabela 39); e ainda algumas
em que o comportamento dos utilizadores varia dependendo das variáveis atrás referidas (Tabelas
40, 41, 42, 43). As tabelas seguintes indicam os parâmetros definidos para cada simulação.
Tabela 38 – Simulação protecções sempre OFF
Simulação sempre sem protecções solares
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Constante [0h às 24h] Ocultas Todas
Tabela 39 – Simulação Base (RCCTE)
Simulação Base
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Constante [0h às 24h] 70% activas e 30%ocultas Todas
Tabela 40 - Simulação protecções sempre ON
Simulação sempre com protecções solares
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Constante [0h às 24h] Activas Todas
58
Tabela 41 - Simulação protecções activas sem ocupação
Simulação protecções solares ON sem ocupação
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Ocupado [18h às 9h] Ocultas Todas
Vazio [9h às18h] Activas Todas
Tabela 42 - Simulação com controlo da temperatura
Simulação protecções solares controlo de temperatura
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Temperatura superior a 20ºC [0h às 24h] Activas Todas
Temperatura inferior a 20ºC [0h às 24h] Ocultas Todas
Tabela 43 - Simulação das protecções exteriores como elementos de segurança/oclusão
Simulação protecções solares ON para segurança
Tipologia de ocupação Horário Posição Janelas
Ocupado dormir [23h às 7h] Activas Todas
Ocupado acordado [7h às 9h] Ocultas Todas
Vazio [9h às18h] Activas Todas
Ocupado acordado [18h às 23h] Ocultas Todas
5.4.1. Impacte na temperatura média do ar interior
Na Figura 33 representa-se a evolução da temperatura do ar interior em duas semanas genéricas da
estação de arrefecimento para o conjunto das simulações realizadas. Por sua vez, a Tabela 44
apresenta uma estatística dos valores de temperatura obtidos.
Tabela 44 - Temperaturas interiores das várias simulações
T Média [ºC] T Máxima [ºC] T Mínima [ºC]
Simulação sempre com protecções solares 27.16 29.43 24.78
Simulação sempre sem protecções solares 31.56 34.62 28.49
Simulação Base 28.57 31.37 25.87
Simulação protecções solares ON sem ocupação
28.60 31.20 25.79
Simulação protecções solares ON para segurança
28.79 31.29 26.13
Simulação protecções solares controlo de temperatura
27.34 29.45 24.96
59
Figura 33 - Temperaturas interiores, de duas semanas de verão, das várias simulações realizadas
A observação dos resultados permite identificar imediatamente diferenças nas temperaturas do ar
interior entre dois casos extremos de simulação: protecções sempre totalmente activas e protecções
nunca activas. Esta comparação mostra a grande importância do controlo da entrada de radiação
solar nos edifícios para melhoria das condições de conforto térmico na estação quente. Entre as
simulações com possibilidade de activação de protecções, também se observam em alguns casos
diferenças importantes ao nível da evolução da temperatura interior. Neste caso, a comparação entre
os vários regimes de controlo de protecções solares permite identificar dois grupos de simulações
distintos.
O primeiro diz respeito às simulações com base no factor de ocupação (simulação com as protecções
activas quando não existe ocupação; e o caso das protecções activas por motivos de segurança), em
que a temperatura interior tem um andamento muito próximo do caso Base, com valores médios de
cerca de 28.5ºC. A diferença entre os períodos de funcionamento destas duas simulações reside num
horário nocturno que aparece na simulação das protecções como elemento de segurança, mas que
24.00
26.00
28.00
30.00
32.00
34.0007
/15
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0
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4:00
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1:00
:00
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0 1
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1 0
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:00
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2 1
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3 0
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:00
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3 1
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:00
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1:00
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5 1
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:00
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6 2
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7 1
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4:00
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0:00
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0 0
1:00
:00
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0 1
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1 2
2:00
:00
08/0
1 1
3:00
:00
Tem
pe
ratu
ras
Temperaturas interiores
S. sempre com protecções S. sempre sem protecções
S. Base S. Protecções On sem ocupação
S. protecções On para segurança S. Controlo de Temp.
60
não está presente na outra simulação. Assim, como o período diurno em que existem ganhos solares
é o mesmo, os resultados das simulações são muito próximos.
O segundo grupo corresponde às simulações em que os ocupantes procuram reduzir os ganhos
solares para controlo da temperatura interior (activação das protecções solares dependente da
temperatura interior e activação permanente das protecções solares, que constitui um dos casos
extremos já referidos). Quando se comparam os valores das temperaturas médias da simulação
Base, com os valores das simulações deste segundo grupo observam-se diferenças de 1ºC em
média. No entanto, uma observação com maior detalhe do andamento dos gráficos permite observar
que esta diferença não é constante, chegando em algumas horas a atingir 2ºC, como é visível na
Figura 34, onde se mostra a evolução da temperatura do ar interior para três dias típicos de verão e
para os dois grupos de simulações referidos.
Figura 34 - Valores das temperaturas de quatro simulações, para 3 dias típicos de verão
A observação destes resultados mostra com mais pormenor que o comportamento dos utilizadores,
com base na ocupação, conduz a resultados próximos dos obtidos com o RCCTE (simulação Base).
Já a simulação das protecções solares controladas pela temperatura interior na estação de
arrefecimento mostra valores muito próximos do caso extremo de protecções permanentemente
activas. Os bons resultados desta estratégia sugerem, em caso de sua utilização, a possibilidade de
aumentar as áreas envidraçadas nos edifícios sem um impacte exagerado nas condições de conforto
no verão.
27.0027.5028.0028.5029.0029.5030.0030.5031.0031.5032.00
07/1
5 0
1:00
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5 2
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1:00
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6 0
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6 0
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7 0
1:00
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5:00
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7 0
9:00
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7 1
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7 1
7:00
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7 2
1:00
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8 0
1:00
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8 0
5:00
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8 0
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8 1
3:00
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8 1
7:00
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07/1
8 2
1:00
:00
Tem
per
atu
as[º
C]
3 dias de verão
S. Base S. sempre com protecções
S. Controlo de Temp. S. protecções On para segurança
S. Protecções On sem ocupação
61
5.4.2. Impacte nos consumos energéticos
Relativamente aos consumos energéticos e respectivos custos associados às diferentes simulações,
apresentam-se na Tabela 45 e Figura 35 os valores obtidos.
Tabela 45 - Consumos totais com climatização
Energia útil
[W] Média horária
[W] Energia Total
[kWh] Custo Total
[€]
Simulação sempre com protecções solares
878994.09 300.20 293.00 28.27
Simulação sempre sem protecções solares
2841262.01 970.38 947.09 91.39
Simulação Base 1414188.15 482.99 471.40 45.49
Simulação protecções solares ON sem ocupação
1157313.92 395.26 385.77 37.23
Simulação protecções solares ON para segurança
1491147.04 509.27 497.05 47.97
Simulação protecções Solares para controlo
de temperatura 1126098.96 384.60 375.37 36.22
Figura 35 – custos com o arrefecimento do fogo
A avaliação dos custos com a climatização é novamente um reflexo da avaliação da temperatura
interior. As variações que se observavam, de cerca de 2ºC, entre os dois grupos de simulações
conduzem a diminuições de cerca de 20% no consumo de energia.
Entre o caso de total ausência de protecções e o caso da completa activação das mesmas, é verifica-
se que a diminuição de custos é de cerca de 70% (Tabela 46). Esta redução é devida à utilização de
protecções solares, comprovando novamente a importância da radiação solar. Mesmo um qualquer
regime de utilização de protecções solares, como por exemplo o caso Base, permite reduzir o custo
0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00
100.00
sempre sem
protec.
S. Base protec. ON sem
ocupação
protec. On para
segurança
protec. controlo de
temp.
sempre com
protec.
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total
62
com a climatização para metade quando comparado com o caso da não activação das protecções em
qualquer período do dia.
Tabela 46 - comparação dos custos em relação à situação mais desfavorável
Percentagens Diminuição
Simulação sempre sem protecções solares 100.00% 0.00%
Simulação Base 49.77% 50.23%
Simulação protecções solares ON sem ocupação
40.73% 59.27%
Simulação protecções solares ON para segurança
52.48% 47.52%
Simulação sempre com protecções solares 30.94% 69.06%
Simulação protecções solares para controlo de temperatura
39.63% 60.37%
5.5. Simulação Geral
Avaliados individualmente os impactes térmicos e energéticos de todos os factores de utilização em
causa neste estudo, tem interesse verificar o efeito dos mesmos quando aplicados em simultâneo no
comportamento dos edifícios.
A análise do comportamento global do edifício será quantificada pelos mesmos dois parâmetros
fundamentais: a temperatura do ar interior em funcionamento livre e o consumo de energia para obter
as condições de conforto impostas pelo RCCTE.
Após as várias simulações iniciais, verificou-se que existem duas combinações relevantes nesta
análise. Por um lado, é importante agrupar todas as simulações que melhor representam o
comportamento dos ocupantes do fogo; por outro lado, interessa também analisar o conjunto das
simulações que conduziram em cada caso à temperatura mais próxima da de conforto.
Tem interesse comparar o caso em que as condições são mais próximas das reais com a simulação
Base, que utiliza os valores definidos pelo RCCTE; é também relevante comparar as situações que
representam o comportamento real com as situações supostamente ideais, quer em termos de valor
absoluto quer de período de funcionamento.
Os períodos adoptados para o estudo térmico correspondem a duas semanas tipo da estação de
arrefecimento, à semelhança dos restantes estudos homólogos. Em relação ao estudo energético, o
período de estudo será o correspondente à duração da estação de arrefecimento.
A Tabela 47 resume as condições de funcionamento para os três factores de utilização já analisados:
ganhos internos, ventilação natural e ganhos solares.
63
Tabela 47 - Parâmetros das simulações Globais
Simulações Finais
Simulação Ganhos internos Ventilação Protecções solares
Simulação Base
4 W/m2
constante
1Rph - constante 70% activas e 30% ocultas
Simulação Inteligente
6 W/m2
com ocupação 31 cm
2 em 3 janelas - Em período
nocturno com ventilação cruzada Activas de dia - ocultas à
noite
Simulação Real
6 W/m2
com ocupação Controlo de temperatura em
regime de ocupação Activas para segurança
5.5.1. Variação da temperatura média interior
Nas Figura 36 e 37 e na Tabela 48 encontram-se os valores da temperatura interior do fogo das
diferentes simulações.
Tabela 48 - Temperaturas interiores
Simulação Base Inteligente Real
T Média [ºC] 28.57 24.99 25.31
T Mínimo [ºC] 25.87 18.34 20.07
T Máxima [ºC] 31.37 29.35 29.54
64
Figura 36 - Variação da temperatura ao longo de duas semanas de verão
19.00
21.00
23.00
25.00
27.00
29.00
31.00
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:00
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6 0
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6 2
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7 1
3:00
:00
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8 0
4:00
:00
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8 1
9:00
:00
07/1
9 1
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:00
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0 0
1:00
:00
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0 1
6:00
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1 0
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:00
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1 2
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3 0
4:00
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07/2
3 1
9:00
:00
07/2
4 1
0:00
:00
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5 0
1:00
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5 1
6:00
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6 0
7:00
:00
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3:00
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1:00
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0 1
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1 1
3:00
:00
Te
mp
era
tura
[ºC
]Temperaturas interiores
Simulação Base Simulação real
65
Figura 37 - Variação da temperatura ao longo de duas semanas de verão
Os valores obtidos nas três simulações, que se encontram na Tabela 48, comprovam os resultados
obtidos nos vários testes anteriores. Apesar do aumento da temperatura média do ar interior que se
esperava devido aos ganhos internos, a ventilação natural e o controlo das protecções reduzem
bastante a temperatura em relação aos pressupostos do RCCTE. O funcionamento real da zona
estudada conduz a diminuições de 3ºC de temperatura média do ar interior em relação às condições
constantes e uniformes consideradas pelo regulamento nacional. Estes resultados comprovam que
de facto o comportamento real de funcionamento de edifícios pode ser bastante variado, por
depender do comportamento dos utilizadores.
Comparando a solução mais próxima da realidade com a solução idealmente óptima, a segunda
conduz a temperaturas médias mais próximas da de conforto e a temperaturas mínimas mais baixas.
Sendo assim, a solução que se poderia considerar ideal diminui bastante a temperatura nas alturas
mais frescas, mas não nas alturas de maior calor. De facto, a solução que conjuga as melhores
simulações realizadas não produz grande impacte quando comparada com uma solução baseada nos
hábitos regulares dos ocupantes de um edifício de habitação.
19.00
21.00
23.00
25.00
27.00
29.00
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ratu
ra[º
C]
Temperaturas interiores
Simulação inteligente Simulação real
66
5.5.2. Consumos energéticos
Por se tratar da simulação que engloba todos os factores estudados, a avaliação dos consumos
energéticos será tratado de uma forma diferente. Para além da avaliação do consumo total no final da
estação, será realizado um estudo comparando esses resultados com a situação em que o sistema
de climatização funciona exclusivamente nas horas de ocupação do fogo. É esperada uma
diminuição de consumos, não só devido ao menor período de funcionamento do sistema, mas
principalmente devido ao facto das principais consequências dos parâmetros introduzidos se
verificarem exactamente no período de ocupação.
Tem vindo a ser realizada ao longo de todas as simulações o cálculo do consumo energético
necessário para manter a temperatura interior no mínimo igual à de conforto. Esta avaliação é
puramente estatística com o objectivo de avaliar o comportamento da zona perante as condições que
lhe são impostas. Neste caso será também utilizada a filosofia da influência do comportamento dos
utilizadores perante o sistema de climatização, com o objectivo de verificar qual a importância dos
consumos nos períodos de ocupação e mostrar a importância de melhorar o comportamento térmico
dos edifícios principalmente nesses períodos.
A Tabela 49 e a Figura 38 resumem os valores dos consumos energéticos e dos custos com
climatização.
Tabela 49 - Consumo energético para os dois funcionamentos do sistema de climatização
RCCTE Inteligente Real
RCCTE ocupação
Inteligente ocupação
Real ocupação
Energia útil [W] 1414188.15 146119.28 203885.55 827124.33 87456.07 117625.27
Média horária [W]
482.99 49.90 69.63 282.49 29.87 40.17
Energia Total [KW.h]
471.40 48.71 67.96 275.71 29.15 39.21
Custo Total [€] 45.49 4.70 6.56 26.61 2.81 3.78
Figura 38 - Custos energéticos
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
Simulação Base
simulação inteligente
Simulação real
Simulação Base
ocupação
simulação inteligente ocupação
Simulação real
ocupação
Co
nsu
mo
[€]
Custo Total
67
A Figura 38 é realmente explícita da diferença de consumos entre a simulação Base e as simulações
com base no comportamento dos ocupantes.
Conhecendo os valores para os dois casos, é possível analisar a importância do período de
funcionamento nos consumos energéticos.
Tabela 50 - Variação dos consumos energéticos
Custo Total [€] RCCTE Inteligente Real
Sempre a funcionar 45.49 4.70 6.56
Funcionar com ocupação 26.61 2.81 3.78
Redução 41.5% 40.1% 42.3%
A redução entre as hipóteses de funcionamento constante da climatização e o funcionamento no
período de ocupação, que se verifica, na Tabela 50, é aproximadamente de 40%. Este facto significa
que os consumos no período de ocupação das habitações representam 60% dos custos em relação
ao funcionamento totais. Esta conclusão é importante no âmbito do trabalho por mostrar que o
comportamento padrão dos ocupantes pode ter impacte significativo por ocorrer no período mais
importante do dia.
6. Conclusões
Concluída a exposição dos resultados obtidos, serão agora apresentadas neste capítulo conclusões
que, de forma sintética, procuram resumir alguns valores com interesse e transpô-los para o objectivo
do trabalho. O objectivo que se pretendia atingir desde inicio era responder à questão de qual o
impacte das condições reais de funcionamento no comportamento térmico dos edifícios.
Para melhor compreender os fenómenos de transmissão térmica que ocorrem num edifício procedeu-
se a uma revisão dos conceitos teóricos mais importantes. Desta revisão observou-se que,
transversalmente a toda a bibliografia consultada, existem três factores que são responsáveis pela
grande maioria das trocas de calor que ocorrem num fogo: ganhos internos; ventilação natural e
ganhos solares. Estes fenómenos de transmissão térmica são consequência de diversos
condicionalismos do ambiente exterior ao fogo, mas são fundamentalmente dependentes das
condições reais de funcionamento criadas pelos utilizadores do mesmo fogo.
De modo a comprovar a importância das condições de funcionamento dos três factores no
comportamento térmico dos edifícios, foram realizadas uma série de simulações utilizando o
programa EnergyPlus que avaliaram dois parâmetros das condições de funcionamento de uma
habitação, temperatura interior e consumo energético com climatização.
Ganhos internos
Relativamente aos ganhos internos interessa referir dois aspectos condicionantes: períodos de
ocupação e valor de ganhos produzidos pelos utilizadores. Em relação ao período de ocupação o
RCCTE considera um valor de ganhos constantes ao longo do dia, mas tendo por base o tipo de
68
ocupação de um edifício residencial verifica-se que existem momentos do dia em que o valor dos
ganhos pode ser de 0W/m2 (zona desocupada) passando depois a valores muito mais elevados, da
ordem dos 15W/m2 (períodos de pico). Conhecendo os valores para cada período do dia interessa
realizar uma média diária e comparar com o valor médio definido no regulamento.
Sendo assim, no que diz respeito ao valor médio é possível, por análise de valores característicos do
comportamento dos utilizadores criados para as simulações, observar que o ganho médio de 4W/m2
definido no regulamento é um valor baixo para o comportamento típico. Facilmente se obtêm ganhos
médios superiores em cerca de 2W/m2 com a utilização de apenas alguns equipamentos típicos de
uma habitação.
A Figura 39 representa a evolução dos ganhos ao longo de um dia, utilizados nas simulações.
Figura 39 - Comportamento dos ganhos diários
Compreendidas as diferenças do comportamento considerado no regulamento e as condições reais
facilmente se analisa os resultados dos comportamentos térmico e energético, obtidos no estudo
analítico. A Tabela 51 apresenta os valores da temperatura média interior para as duas estações,
aquecimento e arrefecimento, acompanhados dos custos com climatização para obter a temperatura
de conforto na totalidade das estações.
Tabela 51 – Resumo dos resultados do estudo sobre os ganhos internos
Temperatura
exterior S. sem ganhos
S. Base 4W/m2
Ocupação 5W/m2
Ocupação 6W/m2
Ocupação 7W/m2
T Média [ºC] inverno
11.52 15.48 17.42 17.73 18.11 18.51
T Média [ºC] verão
22.89 26.54 28.57 28.97 29.39 29.80
Consumo [€]
- 254.69 199.87 188.91 174.80 161.42
0.004.008.00
12.0016.0020.0024.00
Val
or
do
s ga
nh
os
[W/m
2 ]
Variação diária dos ganhos internos
Simulação Base ocupação 6 W/m2
ocupação 7 W/m2 ocupação 5 W/m2
69
Uma observação rápida dos resultados mostra que, com o aumento dos ganhos, a temperatura
média interior aumenta. Este aumento implica, no caso do inverno, uma aproximação da temperatura
de conforto e no verão um afastamento dessa mesma temperatura. Tendo em atenção a
compensação existente na soma dos consumos das duas estações é importante salientar dois
aspectos: a diferença significativa da situação sem ganhos e as restantes, mostrando o impacte
destes ganhos; e ainda a situação com ocupação média de 7W/m2 que conduz à melhor solução em
termos económicos.
Ventilação Natural
A ventilação natural, contrariamente aos restantes factores referidos, traduz-se principalmente ao
nível das perdas. A renovação do ar é fundamental num edifício, apesar de, por vezes, os utilizadores
evitarem a abertura de janelas por motivos de conforto térmico.
Da observação dos resultados, para a estação de arrefecimento, ressalta imediatamente a extrema
importância da ventilação dos edifícios para a melhoria das condições de conforto térmico na estação
quente. Entre as simulações com ventilação observam-se em alguns casos diferenças importantes ao
nível da evolução da temperatura interior. De notar que as diferenças de temperatura média do ar
interior entre qualquer outro regime de ventilação e o correspondente ao caso Base traduzem-se em
valores que podem variar entre 1º C e 3ºC, diferenças essas que podem conduzir a condições
interiores bastante próximas da de conforto. Em relação aos valores das renovações definidos no
RCCTE para este parâmetro verifica-se são muito inferiores aos obtidos com uma qualquer simulação
realizada, quer em termos dos períodos de ventilação, quer em termos de volumes caudais de
renovação.
O comportamento das temperaturas ao longo do dia demonstra fundamentalmente que o período
indicado para recorrer à ventilação natural é o período nocturno.
Na estação de aquecimento a situação é distinta, em termos de objectivos, da que é analisada na
estação de arrefecimento. Nesta estação não existe a procura, por parte dos utilizadores, de
ventilação natural. Tendo este facto em consideração procurou-se demonstrar que ventilação durante
o período diurno permite caudais de renovação adequados para a melhoria das condições interiores,
tendo sido obtido um valor médio igual ao do RCCTE, sem que com isso existam exagerados
prejuízos para as condições de conforto nos períodos de ocupação.
A Tabela 52 mostra as diferenças de valores, entre as temperaturas médias, que se obteve para as
várias simulações.
70
Tabela 52 – Resumo dos resultados obtidos para o estudo da ventilação natural
T [ºC] Verão
Consumo no verão
[€]
T [ºC] Inverno
Simulação sem ventilação 36.62 62.00 23.64
Simulação Base 28.57 45.49 17.17
Zona ocupada (P. nocturno) 27.11 23.96 -
Controlo de temperatura 27.14 23.31 -
Zona desocupada (P. diurno) 33.24 80.27 19.76
Zona ocupada e controlo da temperatura
27.33 24.00 -
Ventilação cruzada zona ocupada 26.73 16.54 -
Ganhos solares
Do estudo teórico elaborado retira-se a ideia de que os factores que condicionam a utilização das
protecções solares por parte dos ocupantes são o horário de ocupação e o valor da temperatura
interior. Conjugando estes parâmetros de funcionamento obtiveram-se dois conjuntos de simulações
muito semelhantes entre si. O primeiro diz respeito às simulações condicionadas pela ocupação, que
apresentaram resultados semelhantes aos do caso Base, enquanto o segundo grupo junta os casos
que procuram simular a procura das melhores condições em termos de temperatura interior e
apresenta valores da temperatura média inferiores em cerca de 1ºC em relação ao caso Base.
A proximidade entre as simulações que representam a ocupação e o caso Base permite observar que
o RCCTE representa adequadamente o comportamento dos ocupantes em relação a este aspecto.
Já a simulação das protecções solares controladas pela temperatura interior na estação de
arrefecimento mostra bons resultados sugerindo que, em caso da sua utilização, a possibilidade de
aumentar as áreas envidraçadas nos edifícios sem um impacte exagerado nas condições de conforto
no verão. A Tabela 53 apresenta os valores obtidos para a temperatura média do ar interior e para os
consumos com a climatização, para a estação de arrefecimento, e que comprovam as conclusões
referidas.
Tabela 53 – Resumos dos resultados obtidos para as simulações do estudo dos ganhos solares
T Média [ºC] Custo total [€]
Simulação sempre com protecções solares 27.16 28.27
Simulação sempre sem protecções solares 31.56 91.39
Simulação Base 28.57 45.49
Simulação protecções solares ON sem ocupação
28.60 37.23
Simulação protecções solares ON para segurança
28.79 47.97
Simulação protecções solares controlo de temperatura
27.34 36.22
71
Simulação global
Adequadamente estudados individualmente todos os factores que se pretendia, foram elaboradas
simulações que conjugaram as outras que foram realizadas. Foram criadas duas simulações globais,
uma que representa as condições mais próximas das reais e outra que conjuga as várias hipóteses
que conduziram, separadamente, aos melhores valores em termos económicos.
A observação dos resultados destas duas simulações conduziu a conclusões ainda mais significativas
comprovando o impacte das condições reais de funcionamento no comportamento térmico dos
edifícios. A Figura 40 apresenta a comparação entre: o Caso Base; as várias simulações sem os
parâmetros; as simulações mais realistas e ainda as duas simulações que conjugam todas as outras.
Figura 40 - Comparação dos vários resultados obtidos
A grande diferença entre a aplicação individual dos parâmetros e a aplicação conjunta mostra o
impacte positivo do uso conjunto da ventilação nocturna e protecções solares nas horas de maior
calor. Esta utilização anula não só maiores ganhos internos, consequência dos níveis mais elevados
de ocupação considerados, como também reduz quase na totalidade as necessidades energéticas
com climatização na estação de arrefecimento.
Comentários
Por observação dos resultados da simulação Base é possível afirmar que o RCCTE é bastante
conservativo no cálculo das necessidades de arrefecimento. Não sendo o RCCTE um regulamento
que define características de segurança, não deveria fornecer aos projectistas valores tão elevados
relativamente aos que se verificam em condições reais de funcionamento. Estes valores
conservativos conduzem a um sobredimensionamento dos sistemas de climatização, sistemas estes
que permitem aos ocupantes utilizar os edifícios sem qualquer preocupação com o consumo dos
aparelhos. A situação ideal seria o dimensionamento de aparelhos de climatização, de menor
0102030405060708090
100
Caso Base Sem ganhos Vs ocup. 7W/m2
sem ventilação Vs ventilação
para controlo da temp.
Sem proteções Vs protecções
para controlo da temp.
Simulação real conjunta Vs
simulação ideal conjunta
Cu
sto
tota
l [€]
Custo Total para a estação de arrefecimento
72
potência, que conduzissem os ocupantes dos edifícios à utilização dos meios de controlo de
temperatura naturais, referidos ao longo do trabalho, ventilação natural e protecções solares.
Ao longo dos capítulos deste trabalho foram referidas condições de funcionamento que claramente
conduzem a melhores comportamentos térmicos dos edifícios. Caso o comportamento dos
utilizadores finais dos edifícios se aproxime das condições definidas e não exista uma utilização
“cega” dos aparelhos de climatização, os consumos energéticos para a criação de condições de
conforto podem diminuir bastante.
Relativamente à situação de inverno verificou-se que a existência de ganhos internos contribui para a
melhoria das condições de conforto térmico, não sendo portanto uma boa prática de utilização de
edifícios permitir que determinadas zonas de uma habitação permaneçam desocupadas. A não
utilização de algumas divisões da casa diminui bastante a sua temperatura, nessas zonas,
aumentando o custo com a climatização. A forma mais adequada de utilização de uma habitação é
procurar manter sempre todas as zonas da casa com uma temperatura constante no seu interior,
diminuindo os picos de consumo energético para aquecer individualmente cada zona.
Outro comentário em relação à estação de aquecimento é o facto de ser possível a ventilação natural
da habitação para melhoria da qualidade do ar interior, 1 renovação por hora, sem a diminuição
significativa da temperatura, desde que essa ventilação ocorra nos períodos de temperatura exterior
mais elevada.
Na estação de arrefecimento o papel dos utilizadores toma ainda maior importância, existindo uma
série de boas práticas capazes de melhorar o comportamento térmico de edifícios. A diminuição dos
ganhos internos, com a redução do nível de iluminação e a menor utilização de equipamentos
eléctricos, bem como a limitação da entrada da radiação solar, principalmente nas horas de maior
calor, devem ser um objectivo dos utilizadores da habitação. A diminuição dos ganhos nesta estação
quando acompanhada de ventilação nocturna, se possível cruzada, melhora bastante o
comportamento térmico dos edifícios.
73
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http://www.Ecbs.org