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Avaliação do potencial de reabilitação de vãos

envidraçados para a promoção da eficiência energética e

conforto habitacional

Hugo Daniel Oliveira Reis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Paulo Manuel Cadete Ferrão

Júri

Presidente: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa

Orientador: Prof. Paulo Manuel Cadete Ferrão

Vogal: Prof. António Luís Nobre Moreira

Outubro 2014

i

Agradecimentos

Em primeiro, gostaria de agradecer ao Professor Doutor Paulo Ferrão, pela oportunidade de realizar

esta tese em área de interesse pessoal e pela sua orientação, que foi fundamental para levar este

projecto a bom porto.

Em segundo, um agradecimento especial ao Doutor Armando Pinto, pela sua constante disponibilidade

e pelo seu incansável apoio e motivação, sem os quais esta dissertação não teria sido possível.

Quero agradecer ao Laboratório Nacional de Engenharia Civil pelo acesso às instalações e pelo

equipamento disponibilizado para a realização dos ensaios experimentais. De igual modo a todas as

pessoas do LNEC que, de alguma forma, me apoiaram durante a realização dos ensaios,

nomeadamente, ao Carlos Saldanha, ao José Martins e à Professora Alexandra Costa, pelo

fornecimento de dados meteorológicos.

Aos meus amigos, pelo seu apoio e momentos de convívio ao longo de todos os anos de universidade.

Sem eles, chegar aqui teria sido ainda mais difícil. Em especial atenção, ao Eduardo Garcia.

À minha companheira e namorada, Ana Cláudia Castanheiro, pela sua dedicação, enorme paciência e

apoio, mas acima de tudo pelo seu amor, obrigado Ana! Por ambos estarmos na recta final dos nossos

cursos, a motivação foi mútua e constante.

Por fim, quero agradecer à minha família, principalmente, aos meus pais pelo seu apoio e incontestável

carinho ao longo de todos estes anos, e em particular, nesta fase final. Agradeço ainda ao meu irmão

pela sua ajuda, conselhos e opiniões que, por mais que eu tivesse inicialmente discordado,

revelaram-se úteis.

Sem vocês, nada disto teria sido possível.

Obrigado!

ii

Resumo

Dado o gradual envelhecimento do parque habitacional português e o aumento das necessidades de

climatização das habitações, é necessário ponderar casos de reabilitação, em particular, dos vãos

envidraçados. Os principais métodos de análise energética de edifícios existentes no mercado actual

(REH e EnergyPlus) apresentam limitações para a sua aplicação expedita. Este trabalho concentra-se

pois no desenvolvimento de um método simplificado (com menos inputs) mas rigoroso que permita

avaliar o potencial de reabilitação de vãos envidraçados, e na sua aplicação em ferramenta Excel criada

para o efeito. A ferramenta desenvolvida requer somente a introdução dos principais elementos

caracterizadores da habitação e dos envidraçados, o que a torna mais acessível. Uma análise de

sensibilidade permitiu identificar e avaliar os parâmetros mais relevantes ao seu desenvolvimento, bem

como as simplificações consideradas ou inerentes ao método regulamentar (REH).

O método Simplificado foi aplicado a dois casos de estudo em Lisboa, obtendo-se desvios médios em

comparação com o REH de 12% para as necessidades energéticas e de 16% para as temperaturas

médias interiores. Por sua vez, o método quando comparado com o EnergyPlus revelou desvios na

ordem dos 15% para as necessidades energéticas e de 5% para as temperaturas médias interiores.

Nos casos de estudo verificou-se uma melhoria da eficiência energética de climatização em 24% e um

período longo de retorno económico estimado (superior a 25 anos). Registaram-se igualmente

melhorias significativas no conforto habitacional, quantificadas em termos de conforto térmico, acústico

e de qualidade do ar, numa perspetiva holística da reabilitação de vãos envidraçados.

Palavras-Chave: Vãos envidraçados; Reabilitação; Eficiência Energética; Conforto Habitacional;

REH; EnergyPlus

iii

Abstract

Due to the continuous aging of Portuguese households and the increasing needs of heating/cooling

systems, it is necessary to take into consideration rehabilitation projects, namely, of glazing systems.

The principal methods of energy analysis of buildings available in today’s market (REH and EnergyPlus)

have limitations for its expeditious implementation. This work thus focuses on developing a simplified

method (with less inputs), but yet rigorous to assess the potential of rehabilitation of windows, as well

as creating an Excel calculation tool for its application. The developed application only requires the

inputs of the main characteristic features of the apartment and of the glazing systems. An initial

sensitivity analysis allowed to identify and evaluate the most relevant parameters for its development as

well as the simplifications considered or inherent to the regulatory method (REH).

When applied to two case studies in Lisbon, this Simplified method revealed mean differences of 12%

and 16% for heating/cooling energy needs and for average indoor temperature, respectively, in

comparison with the REH method. On the other hand, when comparing with EnergyPlus, the Simplified

method showed mean differences of 15% for heating/cooling energy needs and of 5% for average indoor

temperature. The rehabilitation of the glazing systems resulted in an improvement of energy efficiency

in the residential HVAC of about 24%, despite large payback periods (above 25 years). However, in

addition, the residential comfort also registered significant improvements, quantified in terms of thermal

comfort, acoustics and air quality, in a holistic approach of the rehabilitation of glazed areas.

Keywords: Glazing Systems; Rehabilitation; Energy Efficiency; Household Comfort; REH;

EnergyPlus

iv

Índice

Agradecimentos .........................................................................................................................................i

Resumo .................................................................................................................................................... ii

Abstract.................................................................................................................................................... iii

Índice ....................................................................................................................................................... iv

Lista de Figuras ...................................................................................................................................... vii

Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... ix

Lista de Acrónimos ................................................................................................................................. xii

Lista de Variáveis .................................................................................................................................. xiii

Introdução

1.1 Enquadramento ....................................................................................................................... 1

1.2 Reabilitação ............................................................................................................................. 4

1.3 Métodos de Análise Energética ............................................................................................... 5

1.4 Motivação ................................................................................................................................ 5

1.5 Objectivos ................................................................................................................................ 6

1.6 Estrutura .................................................................................................................................. 6

Conceitos Teóricos e Metodologia

2.1 Métodos Detalhados ................................................................................................................ 8

2.1.1 Legislação - REH ................................................................................................................. 8

2.1.2 EnergyPlus .......................................................................................................................... 8

2.1.3 Outros Métodos Existentes ................................................................................................. 9

2.2 Conforto Habitacional ............................................................................................................ 10

2.2.1 Conforto Térmico ............................................................................................................... 10

2.2.2 Qualidade do Ar Interior .................................................................................................... 12

2.2.3 Conforto Visual .................................................................................................................. 12

2.2.4 Conforto Acústico .............................................................................................................. 13

2.3 Transmissão de Calor e Massa ............................................................................................. 13

2.3.1 Mecanismos de Transmissão de Calor ............................................................................. 13

2.3.2 Trocas de Calor na Envolvente e nos Vãos Envidraçados ............................................... 16

2.4 Necessidades Energéticas .................................................................................................... 17

2.4.1 Estação de Aquecimento ................................................................................................... 17

v

2.4.2 Estação de Arrefecimento ................................................................................................. 18

2.5 Metodologia ........................................................................................................................... 19

Método Simplificado

3.1 Introdução .............................................................................................................................. 20

3.2 Análise de Sensibilidade ....................................................................................................... 21

3.3 Estrutura do Método Simplificado.......................................................................................... 31

3.3.1 Inputs da Ferramenta ........................................................................................................ 32

3.3.2 Outputs da Ferramenta ..................................................................................................... 33

3.3.3 Considerações e Equações Utilizadas .............................................................................. 33

3.3.4 Análise Económica ............................................................................................................ 34

3.3.5 Análise Acústica ................................................................................................................ 36

3.3.6 Análise Ambiental .............................................................................................................. 37

Casos de Estudo

4.1 Introdução .............................................................................................................................. 40

4.2 Caso de Estudo 1: Apartamento num Edifício Multifamiliar .................................................. 40

4.2.1 Descrição da Habitação .................................................................................................... 40

4.2.2 Ensaios de Permeabilidade ao Ar ..................................................................................... 43

4.3 Caso de Estudo 2: Apartamento num Edifício Multifamiliar com Reabilitação dos Vãos

Envidraçados ..................................................................................................................................... 47

4.3.1 Descrição da Habitação .................................................................................................... 47


Resultados e Discussão

5.1 Ensaios Experimentais .......................................................................................................... 55


5.1.2 Perfís de Temperaturas Experimentais ............................................................................. 56

5.2 Avaliação do EnergyPlus ....................................................................................................... 59

5.2.1 Análise por EnergyPlus ..................................................................................................... 59

5.3 Resultados Finais .................................................................................................................. 62

5.3.1 Resultados Energéticos ..................................................................................................... 62

5.3.2 Resultados de Reabilitação e Discussão .......................................................................... 70

5.4 Retorno Económico e Social ................................................................................................. 72

vi

Conclusões e Trabalhos Futuros

6.1 Método Simplificado .............................................................................................................. 74

6.2 Resultados Experimentais ..................................................................................................... 75

6.3 Trabalhos Futuros ................................................................................................................. 76

Anexo A - Interface das Folhas de Cálculo do Método Simplificado................................................77

Anexo B - Impacto da Radiação Solar na Envolvente Opaca ......................................................... 84

Anexo C - Ensaios de Pressurização ................................................................................................ 90

Anexo D - Incerteza Experimental de Ensaios de Temperatura........................................................93

Anexo E - Cálculo do Coeficiente U Em Janelas................................................................................94

Referências .......................................................................................................................................... 96

vii

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Energia acumulativa relacionada com as emissões de CO2 e “Carbon budget” para 2ºC [4].

................................................................................................................................................................. 2

Figura 1.2 - Consumo final total por sector, para 1971 (4.3 Gtep) e 2010 (8.7 Gtep). Dados retirados de

IEA [5]. ..................................................................................................................................................... 2

Figura 1.3 - Distribuição por país do consumo energético final no sector residencial face ao total EU-

27. Dados retirados de [7]. ...................................................................................................................... 3

Figura 2.1 - Representação esquemática de um vão envidraçado com as várias formas de transmissão

de calor. Adaptado de [27]. ................................................................................................................... 17

Figura 3.1 - Necessidades energéticas normalizadas à situação média de FF de 0.6 para o método

REH em função do valor de FF para três geometrias diferentes: a) resultados de necessidades de

aquecimento; e b) resultados de necessidades de arrefecimento. ....................................................... 23

Figura 4.1 - Planta da habitação 1, localizada na zona de Alvalade, Lisboa. ....................................... 42

Figura 4.2 - Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 1. ........................ 43

Figura 4.3 - Resultados do ensaio de pressurização à conduta de exaustão (perda de carga) do

apartamento 1. ...................................................................................................................................... 44

Figura 4.4 - Estimativa de permeabilidade ao ar das janelas ensaiadas do Caso de Estudo 1. As linhas

a tracejado no gráfico indicam os limites máximos para cada classe correspondente (EN 12207, 1999).

............................................................................................................................................................... 45

Figura 4.5 - Estimativa de permeabilidade ao ar das caixas de estore das janelas ensaiadas do

apartamento 1. ...................................................................................................................................... 46

Figura 4.6 - Planta da habitação 2, localizada no bairro da Boavista, Lisboa. ..................................... 48

Figura 4.7 - Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 2, caso inicial. .... 49

Figura 4.8 - Resultados médios dos ensaios de pressurização (pressão e depressão) às condutas de

admissão e exaustão do apartamento 2 para cada conduta e com respectiva curva característica). . 50

Figura 4.9 - Estimativa de permeabilidade ao ar das janelas ensaiadas do apartamento 2. As linhas a

tracejado no gráfico indicam os limites máximos para cada classe correspondente (EN 12207, 1999).

............................................................................................................................................................... 51

Figura 4.10 - Estimativa de permeabilidade ao ar das caixas de estore das janelas ensaiadas do

apartamento 2. ...................................................................................................................................... 52

Figura 4.11 - Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 2 para o caso

reabilitado. ............................................................................................................................................. 53

Figura 5.1 - Perfil de temperaturas para o Caso A, amostra de 13 dias. .............................................. 57

Figura 5.2 - Perfil de temperaturas para o Caso B, amostra de 32 dias. .............................................. 57

Figura 5.3 - Perfil de temperaturas diário para o Caso A, amostra de 13 dias. .................................... 58

Figura 5.4 - Perfil de temperaturas diário para o Caso B, amostra de 13 dias. .................................... 58

Figura 5.5 - a) desenho tridimensional do apartamento do Caso de Estudo 2 utilizado no EnergyPlus

viii

(esquerda), e b) desenho que inclui a orientação e o sombreamento existente de edifícios vizinhos

(direita)................................................................................................................................................... 60

Figura 5.6 - Resultados de simulação térmica utilizando o EnergyPlus, para as condições amostrais do

Caso A. .................................................................................................................................................. 60

Figura 5.7 - Resultados de simulação térmica utilizando o EnergyPlus, para as condições amostrais do

Caso B. .................................................................................................................................................. 61

Figura 5.8 - Variação de fluxo de calor por área de janela, em função da velocidade do vento e da

temperatura através de simulações por EnergyPlus: i) janela com coeficiente U de 5.8 W.m-2.ºC-1, e ii)

janela com coeficiente U de 2.6 W.m-2.ºC-1. .......................................................................................... 66

Figura A.1 - Interface gráfica total da primeira folha de cálculo do método Simplificado. .................... 77

Figura A.2 - Interface gráfica da primeira folha de cálculo do método Simplificado, parte 1. ............... 78

Figura A.3 - Interface gráfica da primeira folha de cálculo do método Simplificado, parte 2. ............... 79

Figura A.4 - Interface gráfica total da segunda folha de cálculo do método Simplificado. ................... 80

Figura A.5 - Interface gráfica da segunda folha de cálculo do método Simplificado, parte 1. .............. 81

Figura A.6 - Interface gráfica da segunda folha de cálculo do método Simplificado, parte 2. .............. 82

Figura A.7 - Interface gráfica da terceira folha de cálculo do método Simplificado. ............................. 83

Figura B.1 - Análogo de resistências de uma parede bidimensional. ................................................... 86

Figura B.2 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a sul e

radiação incidente para o mês de Janeiro, segundo o EnergyPlus. ..................................................... 87

Figura B.3 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a sul e

radiação incidente mensal, segundo o EnergyPlus. ............................................................................. 88

Figura B.4 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a norte e

radiação incidente mensal, segundo o EnergyPlus. ............................................................................. 88

Figura B.5 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma cobertura e radiação

incidente mensal, segundo o EnergyPlus. ............................................................................................ 88

Figura C.1 - Material utilizado nos ensaios de pressurização: a) Caixilharia em alumínio ajustável, b)

tecido estanque, c) ventilador centrifugo e controlador (Minneapolis Blower Door Model 4/230V), d)

tecido estanque para o ventilador, e) databox de pressão (box de aquisição de dados), f) computador,

g) tubos de leitura de pressão, h) sensor de temperatura, i) sistema da porta ventiladora totalmente

montado in situ. ..................................................................................................................................... 92

Figura D.1 - Ensaio de incerteza a sete sensores de temperatura. ...................................................... 93

ix

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Índices de conforto térmico. Retirado de [19]. .................................................................. 11

Tabela 3.1 - Resultados mínimos e máximos de necessidades energéticas e temperaturas médias

interiores em relação à situação média de FF de 0.6 para a gama de valores de FF entre 0.05 e 1.14,

segundo os métodos detalhados. ......................................................................................................... 23

Tabela 3.2 - Resultados das necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à

situação média do Modelo Base para todas as combinações de zonas climáticas, segundo os métodos

detalhados. ............................................................................................................................................ 24

Tabela 3.3 - Resultados das necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à

situação média do Modelo Base para a inércia térmica, segundo o REH. ........................................... 24

Tabela 3.4 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à

situação média de radiação solar para duas combinações de orientação, segundo o REH. ............... 25

Tabela 3.5 - Características das três soluções construtivas consideradas para o parâmetro da

envolvente opaca. ................................................................................................................................. 26


situação média do Modelo Base para a envolvente opaca segundo, os dois métodos detalhados..... 27


situação média do Modelo Base para as diferentes áreas de janelas, segundo os dois métodos

detalhados. ............................................................................................................................................ 27

Tabela 3.8 - Características dos vãos envidraçados considerados. ..................................................... 28


situação média do Modelo Base (vão envidraçado 3) para os diferentes vãos, segundo os dois métodos

detalhados. ............................................................................................................................................ 28


situação média do Modelo Base para a taxa de renovação do ar, segundo os dois métodos detalhados

em estudo. ............................................................................................................................................. 29


situação média do Modelo Base para o sombreamento, segundo os dois métodos detalhados. ........ 30


situação média do Modelo Base para os ganhos internos, segundo os dois métodos detalhados. .... 30

Tabela 3.13 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores do Modelo

Base, para os dois métodos detalhados. .............................................................................................. 31

Tabela 3.14 - Avaliação do impacto ambiental de janelas para 50 anos. Dados retirados de Pinto [19].

............................................................................................................................................................... 38

Tabela 4.1– Dimensões principais do apartamento 1 em estudo. ........................................................ 41

Tabela 4.2 - Dimensões das janelas do apartamento 1. ....................................................................... 41

Tabela 4.3 - Coeficientes de transmissão térmica global dos diferentes elementos do apartamento 1 em

estudo. ................................................................................................................................................... 42

x

Tabela 4.4 - Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 1.

............................................................................................................................................................... 44

Tabela 4.5 - Características das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 1. ............. 46

Tabela 4.6 - Dimensões principais do apartamento 2 em estudo. ........................................................ 47

Tabela 4.7 - Dimensões das janelas do apartamento 2. ....................................................................... 47

Tabela 4.8 - Coeficiente de transmissão térmica global dos diferentes elementos do apartamento 2 em

estudo. ................................................................................................................................................... 48

Tabela 4.9 - Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 2,

caso inicial. ............................................................................................................................................ 50

Tabela 4.10 - Características das condutas existentes no apartamento 2. .......................................... 51

Tabela 4.11 - Características das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 2. ........... 52

Tabela 4.12 - Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 2

para o caso reabilitado. ......................................................................................................................... 53

Tabela 5.1 - Resultados n50 e renovação do ar (Rph) para o Caso de Estudo 2, pré e pós-reabilitação,

para os ensaios experimentais e estimativas pelo REH. ...................................................................... 55

Tabela 5.2 - Temperatura exterior e interior para dois pares de dias com condições atmosféricas

idênticas................................................................................................................................................. 59

Tabela 5.3 - Resultados estatísticos de temperaturas interiores simuladas e reais para as duas

amostragens. ......................................................................................................................................... 61

Tabela 5.4 - Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 1,

segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado. ......................................... 62

Tabela 5.5 - Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 1 para

uma situação reabilitada, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado. 63


situação inicial, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado. ................ 63


situação reabilitada, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado. ........ 63

Tabela 5.8 - Comparação de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para os dois

casos de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo dois métodos: Simplificado e REH. ....................... 64

Tabela 5.9 - Comparação de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para os dois

casos de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo dois métodos: Simplificado e EnergyPlus. ............ 64

Tabela 5.10 - Variação das necessidades de aquecimento para as duas situações de estudo, pré e pós-

reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus. ........................................... 68

Tabela 5.11 - Variação das necessidades de arrefecimento para as duas situações de estudo, pré e

pós-reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus. .................................... 69

Tabela 5.12 - Variação das temperaturas médias interiores para as duas situações de estudo, pré e

pós-reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus. .................................... 69

Tabela 5.13 - Resultados finais energéticos e económicos, segundo o método Simplificado, para a

reabilitação dos vãos envidraçados do Caso de Estudo 1. .................................................................. 70

Tabela 5.14 - Resultados finais energéticos e económicos, segundo o método Simplificado, para a

xi

reabilitação dos vãos envidraçados do Caso de Estudo 2. .................................................................. 71

Tabela 5.15 - Poupança energética e mão-de-obra associada à reabilitação dos vãos envidraçados

para os Casos de Estudo 1 e 2. ............................................................................................................ 72

Tabela 5.16 - Distribuição média das componentes de uma empresa especializada em reabilitação de

vãos envidraçados ................................................................................................................................. 73

Tabela B.1 - Temperaturas médias exteriores de Inverno e Verão e Graus-Dias do Modelo Base,

segundo os dois métodos detalhados. .................................................................................................. 84

Tabela B.2 - Necessidades energéticas para casos simples segundo dois métodos detalhados. ...... 85

Tabela B.3 - Necessidades energéticas de aquecimento para a envolvente opaca com e sem efeito da

radiação solar para o método EnergyPlus. ........................................................................................... 89

xii

Lista de Acrónimos

ACV Análise do Ciclo de Vida

ADENE Agência para a Energia

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers

BLAST Building Loads Analysis and System Thermodynamics

CEN European Committee for Standardization

DOE-2 Designing Factorial Experiments

ENU Espaço Não Útil

EPBD Energy Performance of Buildings Directive

EU-27 Primeiros 27 países da União Europeia

GEE Gases de Efeito de Estufa

HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning

IDF Input Data File

IEA International Energy Agency

INE Instituto Nacional de Estatística

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil

OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico

PMV Predicted Mean Vote

PNAEE Plano Nacional de Ação para as Eficiências Energéticas

PPD Predicted Percentage Dissatisfied Index

PVC Policloreto de Vinila

RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

RECS Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços

REH Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação

RRAE Regulamento dos Requisitos Acústicos dos Edifícios

TARP Thermal Analysis Research Program

xiii

Lista de Variáveis

Variável Descrição Unidades

Aenv,ext Área da envolvente em contacto com o exterior

m2

Aext

Área exterior m2

Apav

Área de pavimento útil da habitação m2

Avão Área de vão envidraçado m2

btr Coeficiente de redução de perdas de espaços não úteis -

CE

Custo médio de exploração €

Cexp Custo de exploração

€

Cinv Custo de investimento €

COP Coeficiente de desempenho -

Cs

Coeficiente de escoamento m3.h-1.Pa-n

D2m,n Isolamento sonoro a sons aéreos dB

D2m,nT,w

Isolamento sonoro a sons aéreos da fachada padronizado dB

E

Redução energética kWh

FF Factor de forma m-1

Fg Fracção envidraçada -

G Radiação média incidente kWh.m-2.ano-1

GD Graus-dias ºC.dia-1

Gint Ganhos internos W.m-2

Gnorte Radiação média incidente para a orientação Norte kWh.m-2.ano-1

Gsul Radiação média incidente para a orientação Sul kWh.m-2.ano-1

gvi Factor solar do vidro -

h Coeficiente de transferência de calor por convecção W.m-2.ºC-1

hc Coeficiente de transmissão térmica por condução e convecção W.m-2.ºC-1

Hr Coeficiente de transmissão térmica por radiação W.m-2.ºC-1

Htr Coeficiente global de transferência de calor por transmissão W.ºC-1

Hve Coeficiente global de transferência de calor por ventilação W.ºC-1

k Conductividade térmica w.m-1.k-1

L Comprimento m

L2 Nível médio de pressão sonora medido no local de recepção m

n Expoente de escoamento -

n50 Taxa de renovação do ar medido a uma diferença de pressão de

50 Pa

h-1

xiv

Nic Necessidades nominais de aquecimento anuais kWh.m-2.ano-1

Nvc Necessidades nominais de arrefecimento anuais kWh.m-2.ano-1

P Pressão Pa

ΔP Diferença de pressão Pa

PR Período de retorno anos

Q Caudal de ar m3.h-1

q’’ Fluxo de calor por unidade de área W.m-2

Qg,v Ganhos térmicos brutos na estação de arrefecimento kWh

Qgu Ganhos térmicos úteis na estação de aquecimento kWh

Qtr Transferência de calor por transmissão na estação de

aquecimento através da envolvente dos edifícios

kWh

qv Caudal de ar que atravessa uma janela m3.h-1

Qve Transferência de calor por ventilação na estação de aquecimento kWh

r Taxa de rentabilidade de projecto %

Rj Resistência térmica da camada j m2.ºC.W-1

Rph Taxa de renovação de ar h-1

Rse Resistência térmica superficial exterior m2.ºC.W-1

Rsi Resistência térmica superficial interior m2.ºC.W-1

Rtotal Índice de redução sonora total de uma fachada dB

Rw,i Índice de isolamento sonoro do elemento i dB

Rwall Resistência térmica da parede w m2.ºC.W-1

Ss Área da fachada s m2

Si Área do elemento i da fachada m2

T Temperatura ºC

T0 Tempo de reverberação de referência s

ΔT Diferença de temperatura ºC

T∞ Temperatura de fluido ou de vizinhança ºC

Text Temperatura exterior ºC

Tint Temperatura interior ºC

Tint,ref Temperatura interior de conforto ºC

Tmi Temperatura média interior ºC

Tmi,inv Temperatura média interior no Inverno ºC

Tmi,ver Temperatura média interior no Verão ºC

Ts Temperatura na superfície ºC

Tse Temperatura da superfície exterior ºC

xv

Tsi Temperatura da superfície interior ºC

U Coeficiente de transferência térmica global W.m-2.ºC-1

Uw Coeficiente de transmissão térmica da janela W.m-2.ºC-1

Uwdn Coeficiente de transmissão térmica médio dia-noite da janela W.m-2.ºC-1

V Volume m3

v Velocidade do vento m.s-1

VAL Valor actual líquido €

W Coeficiente utilizado para a classificação das janelas -

ε Emissividade -

η Rendimento do sistema de climatização %

ηv Factor de utilização dos ganhos térmicos na estação de

arrefecimento

%

θENU Temperatura de espaço não útil ºC

θext Temperatura exterior ºC

θint Temperatura interior ºC

σ Constante de Stefan-Boltzmann W.m-2.K-4

Ԏ Factor de externalidade -

1

1.1 Enquadramento ....................................................................................................................... 1

1.2 Reabilitação ............................................................................................................................. 4

1.3 Métodos de Análise Energética ............................................................................................... 5

1.4 Motivação ................................................................................................................................ 5

1.5 Objectivos ................................................................................................................................ 6

1.6 Estrutura .................................................................................................................................. 6

Introdução

1

1.1 Enquadramento

O constante aumento das necessidades energéticas globais é uma realidade cada vez mais presente

em qualquer sociedade moderna, onde a melhoria do bem-estar das populações se traduz em

crescentes exigências energéticas. O uso eficiente e sustentável da energia surge assim como uma

das maiores preocupações nos países desenvolvidos, uma vez que a contenção e redução dos

recursos a utilizar no dia-a-dia não vão ao encontro do padrão de vida já atingido pela sociedade.

O consumo de energia primária a nível global tem vindo a aumentar ao longo das últimas décadas.

Segundo dados fornecidos pela International Energy Agency (IEA), desde 1971 até 2011, o consumo

de energia primária mundial cresceu de 6.1 Gtep para 13.1 Gtep [1], estimando-se um consumo de

cerca de 17.4 Gtep até 2030, com um crescimento anual de 1.2% [2]. A produção de energia advém

principalmente do uso de combustíveis fósseis, como é o caso do petróleo, carvão e gás natural, que,

em 2011 representaram 81.6% da energia mundial produzida [1].

Actualmente, sabe-se que o recurso intensivo aos combustíveis fósseis tem originado graves

problemas ambientais, nomeadamente, concentrações alarmantes nas emissões de gases de efeito de

estufa (GEE), como é o caso do dióxido de carbono, CO2. O aumento das emissões de GEE representa

a causa base das alterações climáticas, promovendo o aquecimento global do planeta. A emissão de

poluentes pode comprometer os elementos básicos da sobrevivência humana, tal como o acesso a

água potável, a produção de alimentos, a saúde pública, o uso e organização dos terrenos, e ainda o

capital físico e natural. É de extrema importância reduzir os custos económicos, sociais e ambientais

provocados até aqui, sendo necessária a implementação de políticas eficientes e com pegadas de

carbono inferiores, bem como a orientação dos países para trajectórias mais conscientes em relação

às alterações climáticas globais.

Numa tentativa de controlo destes problemas, surgiram estratégias como o protocolo de Quioto em

1997, em que os diferentes Estados signatários se comprometeram, em conjunto e durante o período

2008-2012, a reduzir as suas emissões de GEE em pelo menos 5%, em relação aos níveis de 1990.

Décadas antes, foi também criada uma Organização Internacional Económica, mais conhecida por

OCDE, fundada em 1961 e composta por 34 países, que visou estimular o progresso económico e o

comércio mundial. A OCDE consiste então num fórum de países, dedicados à democracia, que buscam

pela resolução de problemas comuns, identificação de boas práticas e orientação de políticas

domésticas e internacionais concordantes entre os seus membros. Inevitavelmente, a problemática do

aquecimento global e da emissão de poluentes tem sido abordada de forma constante. Estudos

recentes da OCDE demonstram que, apesar da crise económica, as emissões globais de gases de

efeito de estufa continuam a aumentar e que as energias emissoras de CO2 atingiram em 2010 um

valor máximo de 30.6 Gton [3]. Segundo a mesma fonte, caso não sejam tomadas medidas mais

ambiciosas do que aquelas actualmente em prática, as emissões de GEE irão aumentar em 50% até

2050, principalmente, devido ao crescimento expectável das emissões de CO2 provenientes da

produção e consumo de energia. Este crescimento dever-se-á a um aumento esperado em 80% na

procura global de energia.

2

Historicamente, os países da OCDE têm sido responsáveis pela maior parte das emissões, contudo,

com a modernização e consciencialização das suas populações tem vindo a verificar-se e prevê-se

alguma estabilização da energia acumulativa referente às emissões de CO2. Pelo contrário, estima-se

um crescimento constante das emissões produzidas por parte das grandes economias emergentes e

em desenvolvimento, durante as próximas décadas, derivado do seu elevado crescimento global. Esta

divergência de comportamentos é demonstrada pela Figura 1.1, retirada do World Energy Outlook

2013, IEA [4].

Figura 1.1 - Energia acumulativa relacionada com as emissões de CO2 e “Carbon budget” para 2ºC [4].

Vários factores fundamentam os resultados positivos apresentados para os países da OCDE, como,

por exemplo, o uso de energias renováveis como alternativa aos combustíveis fósseis para a produção

de energia. Os países em causa apresentam, na sua generalidade, uma elevada dependência externa

e falta de segurança relativamente ao abastecimento de energia, registando preços particularmente

dependentes dos países fornecedores de combustíveis fósseis. Enquanto esta situação se observar, o

conceito de Eficiência Energética revela-se de grande importância, remetendo para o uso racional de

energia: utilizar menos energia para fornecer a mesma quantidade de valor energético.

Para caracterizar como a energia é utilizada, é necessário fazer uma desagregação do consumo

energético pelos diferentes sectores. Os gráficos que se seguem, apresentados na Figura 1.2, fazem

referência ao consumo mundial de energia final distribuída por sectores, segundo dados da IEA [5].

Figura 1.2 - Consumo final total por sector, para 1971 (4.3 Gtep) e 2010 (8.7 Gtep). Dados retirados de IEA [5].

38%

23%

24%

8%

3% 4%1971

37%

27%

24%

8%

2% 2% 2010 Indústria

Transportes

Residencial

Comércio eserviços públicos

Agricultura

Outros

3

De acordo com Rodrigues e Gomes [6], “um dos sectores com maiores repercussões a nível energético

e ambiental é a da Construção, sendo o sector dos edifícios responsável por uma importante parte dos

consumos de energia e das emissões poluentes para o ambiente, sobretudo através dos sistemas de

aquecimento, arrefecimento e iluminação”. Esta afirmação vai ao encontro dos dados apresentados na

figura anterior, em que o sector dos edifícios é responsável por cerca de um terço do consumo

energético mundial, abrangendo o sector residencial e o sector de comércio e serviços públicos. Já em

relação aos países europeus, verifica-se uma distribuição díspar em termos do consumo energético,

sendo esperado um consumo superior no sector dos edifícios para países mais a nordeste da europa,

em que lhes é exigido um uso mais intenso dos sistemas de aquecimento de modo a fazer face ao

clima mais frio. Tendo por base os balanços energéticos emitidos pelo Eurostat [7], apresenta-se a

distribuição do consumo energético residencial final face ao consumo total de energia do consumidor,

pelos países membros da União Europeia, EU-27 (Figura 1.3), relativo ao ano de 2009-2010.

Figura 1.3 - Distribuição por país do consumo energético final no sector residencial face ao total EU-27. Dados retirados de [7].

Em Portugal, a energia final relativa ao sector residencial encontrou-se em constante crescimento até

ao ano de 2005, tendo-se verificado, a partir deste ano, uma certa estabilização e redução. Em relação

a 2010, o consumo de energia no sector dos edifícios residenciais correspondeu a cerca de 17.7% do

consumo de energia final (3.1 Mtep), enquanto o sector dos serviços apresentou um consumo de

12.0%. Em particular no sector residencial, cerca de 22.0% da energia consumida correspondeu à

energia utilizada para a climatização [8].

Para limitar o eventual crescimento dos consumos de energia de climatização e evitar patologias da

construção civil devido à qualidade térmica insuficiente nos edifícios, foi publicada uma legislação

4

nacional (RCCTE) em 1990 [9]. Esta legislação foi revista em 2006 em sequência da directiva EPBD

(Energy Performance of Buildings Directive) e actualizada recentemente em 2013 devido à EPBD

Recast. Também nesta actualização, a designação RCCTE foi alterada para REH. Dados fornecidos

pelo INE (Instituto Nacional de Estatística) em parceria com o LNEC (Laboratório Nacional de

Engenharia Civil) revelaram um decréscimo de 8.7% do parque habitacional total em Portugal, entre

1980 a 2011. Além disso, a maioria das habitações existentes (cerca de 69.8% do parque habitacional,

em 2011 [10]) são antigas e anteriores aos anos noventa. No mesmo sentido, entre 2002 e 2011,

registou-se um decréscimo de 75.1% do número de fogos concluídos em construções novas [10],

contribuindo assim para o gradual envelhecimento das habitações.

Dado o elevado consumo energético associado ao sector residencial em Portugal, existe um elevado

potencial de poupança e de redução de futuras necessidades energéticas, concretizável com a

implementação de medidas que visam a promoção da eficiência energética. Em seguimento destas

medidas, em 2013 foi criado o PNAEE (Plano Nacional de Ação para as Eficiências Energéticas), que

visa a implementação de um modelo energético baseado na racionalidade económica e na

sustentabilidade pelos vários sectores [11]. Relativamente ao sector residencial, consideraram-se

medidas como a promoção de equipamentos, iluminação, janelas e isolamentos mais eficientes. A

melhoria dos equipamentos e da iluminação, os elementos mais facilmente substituíveis, resultaram já

em poupanças energéticas elevadas (148 Gep), tornando-se necessário de seguida promover a

melhoria energética dos elementos construtivos da habitação (janelas e isolamentos). Por norma, estas

medidas de eficiência energética são implementadas aquando de novas construções, contudo, face ao

envelhecimento do parque habitacional nacional, é essencial ponderar possíveis obras de reabilitação.

Os projectos de reabilitação podem ser implementados em termos da envolvente opaca (paredes,

cobertura e pavimento do edifício) e dos vãos envidraçados (janelas, portas).

1.2 Reabilitação

No âmbito das actividades de reabilitação, as janelas são normalmente os primeiros elementos

seleccionados, dada a sua facilidade de substituição e custos de instalação em comparação com uma

reabilitação à envolvente opaca da habitação [12]. Especificamente para Portugal, grande parte das

habitações ainda possuem os vãos envidraçados originais de madeira ou alumínio sem corte térmico e

com panos de vidro simples e incolor. Dados fornecidos pelo INE (referente ao ano de 2010) revelam

que cerca de 75% dos edifícios residenciais habitados possuem janelas com vidro simples e que cerca

de 23% dos alojamentos possuem janelas de vidro duplo sem corte térmico [8]. Assim, conclui-se que

os vãos envidraçados são elementos viáveis para uma implementação de melhoria da eficiência

energética, também porque tendem a apresentar um fraco desempenho térmico devido ao desgaste

contínuo dos próprios elementos constituintes. Adicionalmente, podem ainda verificar-se situações de

infiltrações de água e de ar não desejadas, bem como uma reduzida resistência ao ruído exterior.

.

5

1.3 Métodos de Análise Energética

Com o intuito de ser possível inferir acerca do impacto da reabilitação de envidraçados nas habitações

é necessário efetuar uma análise energética completa à fracção em estudo. Nos dias de hoje, existem

métodos suficientemente rigorosos para analisar o comportamento térmico da habitação ou até mesmo

para identificar situações específicas passiveis de melhoria. De entre os vários disponíveis no mercado,

existem métodos que têm por base análises em regime sazonal, como o caso do REH, ou em regime

dinâmico (periodicidade horária) através de software apropriado, sendo um exemplo disso o

EnergyPlus. Estes métodos foram aqui designados por ‘métodos detalhados’. Como referido, o REH

consiste num método legislativo implementado em Portugal. Apesar disso, para estudos mais

detalhados em habitações, regra geral, métodos horários como o EnergyPlus são os mais utilizados.

Em condições iguais, ambos os métodos (REH e EnergyPlus) são conhecidos por apresentarem

resultados semelhantes, contudo, quando efeitos dinâmicos mais complexos são tidos em conta, o

EnergyPlus distingue-se por ser um método mais rigoroso, de acordo com a norma EN ISO 13790 [13].

Estes métodos detalhados tendem a aproximar-se cada vez mais do comportamento térmico real, no

entanto, requerem uma caracterização detalhada e exaustiva da habitação em estudo e são de uso

normalmente restrito a pessoas qualificadas. Quando aplicados a casos práticos, estes métodos

revelam-se dispendiosos e demorados, não sendo capazes de fornecer uma resposta rápida em

relação à viabilidade e potencial da reabilitação dos vãos envidraçados. Faz, portanto, todo o sentido

desenvolver um método mais simplificado do que os actuais mas, ao mesmo tempo, suficientemente

rigoroso para avaliar a influência da reabilitação sustentável das janelas.

1.4 Motivação

Regra geral, os edifícios residenciais possuem uma duração média de vida elevada (superior a

quarenta, cinquenta anos), pelo que representam um investimento a longo prazo e do qual se espera

um retorno a nível do conforto habitacional e da exigência mínima possível em termos dos recursos

necessários para o seu óptimo funcionamento, nomeadamente, em termos energéticos.

Considerando o grande potencial de melhoria na qualidade e eficiência energética das habitações

através da reabilitação dos vãos envidraçados, é fundamental avaliar até que ponto essa reabilitação

pode ser viável. Para melhor compreender o conceito de viabilidade, é necessário realizar uma análise

cuidada em termos económicos, acústicos e ambientais, além da análise energética. Em suma,

pretende-se a manutenção ou melhoria dos níveis de conforto e de qualidade para com o habitante,

sem hipotecar os valores ambientais associados.

A presente dissertação tem em especial atenção o impacto energético associado à reabilitação de vãos

envidraçados em apartamentos, tendo em conta os requisitos mínimos de conforto dos habitantes.

Neste sentido e tendo em conta as limitações dos métodos detalhados actualmente no mercado (REH

e EnergyPlus), justifica-se o desenvolvimento de um método simplificado (mais rápido, acessível e com

menos inputs) mas ainda assim rigoroso, que permita avaliar o potencial da reabilitação das janelas

6

numa perspectiva holística da habitação. Deste método, assim designado por método Simplificado,

pretende-se a ponderação acerca da melhoria do conforto térmico, da redução das necessidades

térmicas, das poupanças da factura energética, do isolamento sonoro das fachadas e da ventilação da

habitação.

1.5 Objectivos

O principal objectivo deste trabalho consiste no desenvolvimento e aplicação de um método simplificado

que permita, ainda assim, fundamentar e avaliar com rigor o potencial de reabilitação de vãos

envidraçados em habitações. Este método deve permitir avaliar de uma forma simples e rápida o

potencial de melhoria do conforto habitacional e o impacto na energia de climatização. Nesta

dissertação, o conforto habitacional engloba a variação da temperatura interior, o isolamento sonoro da

fachada e o caudal mínimo de renovação de ar da fracção sob estudo. Por sua vez, o impacto da

energia de climatização deve ter em conta o desempenho energético, a viabilidade económica da

reabilitação e o impacto ambiental.

Como finalidade, pretende-se que este método constitua uma ferramenta de avaliação mais simples

(requerendo menos inputs) e rápida do que os métodos detalhados, em termos da energia de

climatização. Pretende-se que este método apresente desvios não superiores a 15% para as

necessidades energéticas e 5% para as temperaturas médias interiores.

De forma a comparar os resultados obtidos, os três métodos (detalhados e simplificado) são aplicados

a casos de estudo práticos, mais especificamente, a dois apartamentos na zona de Lisboa. Num dos

casos de estudo foi implementada a reabilitação das janelas, sendo possível avaliar experimentalmente

as alterações nas condições de conforto e na permeabilidade ao ar da envolvente, credibilizando alguns

dos pressupostos de análise das intervenções de reabilitação. A literatura nesta temática da reabilitação

dos envidraçados está normalmente associada à simulação de casos de estudo baseada em métodos

detalhados, pelo que a avaliação experimental de uma reabilitação real constitui uma abordagem

inovadora. Adicionalmente, é realizada uma avaliação do software EnergyPlus através de dados

obtidos experimentalmente, para as situações antes e após a reabilitação dos vãos envidraçados.

1.6 Estrutura

Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos e cinco anexos. O primeiro e presente capítulo

trata da introdução ao documento, onde o tema e a motivação do trabalho são contextualizados, bem

como se definem os objectivos propostos.

No capítulo 2, pretende-se introduzir os métodos detalhados utilizados, bem como conceitos teóricos

relevantes. Além disto, é apresentada a metodologia de trabalho global seguida. Por sua vez, o capítulo

3 introduz e descreve de forma detalhada o desenvolvimento do método Simplificado, as simplificações

consideradas e os inputs e outputs do método.

7

O capítulo 4 apresenta uma descrição detalhada dos dois casos de estudo analisados e uma análise

dos ensaios experimentais. No capítulo 5 são analisados e discutidos os resultados obtidos, sendo que

as principais conclusões a retirar deste trabalho são apresentadas no capítulo 6, onde também se

encontra uma parte sobre possíveis trabalhos futuros.

O anexo A apresenta a interface gráfica do método Simplificado, ao passo que o anexo B trata do

impacto da radiação solar na envolvente opaca para um caso de estudo específico. No anexo C deste

documento, encontram-se descritos o procedimento e materiais utilizados nos ensaios experimentais

de permeabilidade ao ar dos casos de estudo. No anexo D encontra-se a avaliação da incerteza

experimental dos sensores de temperatura utilizados. Por último, no anexo E são apresentadas

algumas equações utilizadas para a discussão dos resultados.

2

2.1 Métodos Detalhados ................................................................................................................ 8

2.2 Conforto Habitacional ............................................................................................................ 10

2.3 Transmissão de Calor e Massa ............................................................................................. 13

2.4 Necessidades Energéticas .................................................................................................... 17

2.5 Metodologia ........................................................................................................................... 19

Conceitos Teóricos

e Metodologia

8

2.1 Métodos Detalhados

No subcapítulo 1.3, introduziram-se os métodos mais utilizados actualmente para estudos térmicos e

energéticos. Estes métodos têm por base a regulamentação térmica, REH, ou simulações em regime

dinâmico, EnergyPlus. Regra geral o termo detalhado está associado aos métodos de simulação

dinâmica hora a hora, no entanto, nesta dissertação utilizou-se este termo para representar os métodos

rigorosos que acompanham as exigências do mercado actual e que requerem uma caracterização

detalhada da fracção em estudo. Estes métodos são apresentados de seguida em maior detalhe.

2.1.1 Legislação - REH

O processo legislativo aplicável a habitações diz respeito ao RCCTE, que segue as normas inicialmente

definidas pelo Decreto-Lei 80/2006, de 4 de Abril, sujeito a revisões e alterações periódicas. Este

regulamento estabelece os requisitos de qualidade térmica e dos sistemas de climatização, para novos

edifícios de habitação e edifícios sujeitos a grandes intervenções, permitindo limitar as perdas térmicas

e controlar os ganhos solares excessivos. Impõe ainda limites às necessidades nominais de energia

primária para a climatização e a produção de águas quentes, num claro incentivo à utilização de

sistemas eficientes e de fontes energéticas com menor impacto em termos de energia primária [14]. A

última revisão geral deste método foi realizada no final do ano de 2013, a partir da qual o método

passou a designar-se por REH [15]. O REH é também utilizado para determinar a classificação

energética de uma habitação, através da caracterização completa e detalhada da envolvente dos seus

elementos construtivos e sistemas energéticos. Exemplos da informação requerida pela legislação são

os materiais de construção, a localização, orientação e a existência de elementos e edifícios adjacentes

que ofereçam sombreamento. Este método fornece resultados em termos das necessidades

energéticas nominais na habitação (ver secção 2.4), bem como respectivos valores máximos.

As necessidades energéticas de uma habitação são determinadas separadamente para as estações

de aquecimento e de arrefecimento e ainda para o aquecimento das águas sanitárias. Como resultado

final, este método detalhado fornece o valor global das necessidades de energia primária, o qual

permite determinar a classe energética da habitação em estudo. Para a presente dissertação, apenas

tem interesse avaliar o valor energético associado às necessidades de aquecimento e arrefecimento,

de forma a identificar e avaliar o impacto associado à reabilitação dos envidraçados existentes.

Para este método REH, os resultados são obtidos através de uma folha de cálculo auxiliar Excel

existente e disponibilizada pelo instituto ITeCons, em que a versão mais recente já tem em conta as

últimas alterações legislativas.

2.1.2 EnergyPlus

O segundo método detalhado tem por base um software livre, o EnergyPlus, desenvolvido pelo

Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, a partir de outros dois softwares criados

entre as décadas de 70 e 80, o BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics) e o

DOE-2 (Designing Factorial Experiments). Este software é um programa computacional de simulação

dinâmica de análise energética e de cargas térmicas, que satisfaz os requisitos da norma ASHRAE140

9

[16] e permite a simulação detalhada em mais do que uma zona térmica. Nesta dissertação foi utilizada

a versão 8.1.

Actualmente, por ser regularmente sujeito a actualizações, o EnergyPlus começa a ser um programa

tão detalhado que permite a modelação do uso de energia de águas em edifícios, permitindo a pessoas

mais qualificadas optimizar o desempenho do edifício, de maneira a minimizar o uso de recursos. Este

programa de simulação tem por base a descrição da habitação em estudo pelo utilizador,

nomeadamente, em termos da geometria, das características dos materiais da envolvente, sistemas

mecânicos ou de climatização existentes, das condições atmosféricas exteriores e de parâmetros que

caracterizam o ambiente interior (ocupação, equipamentos, infiltrações, entre outros). Como principais

funcionalidades, apresenta ainda a simulação do balanço térmico de edifícios em regime livre e em

regime de temperatura controlada. Através do segundo regime, este método detalhado permite calcular

as cargas de aquecimento e de arrefecimento necessárias, de modo a assegurar a manutenção de

determinadas condições de conforto no interior da habitação, tal como a temperatura interior. A

introdução de dados e a obtenção de resultados é feita em formato de texto, na extensão IDF (Input

Data File).

Apesar de o programa apresentar uma interface funcional, que facilita a introdução e modificação de

todos os parâmetros característicos do edifício, a interface gráfica é pouco apelativa. Quando aplicado

a estruturas complexas, como é o caso de uma habitação, torna-se necessário recorrer a software

auxiliar, nomeadamente, o Google Sketchup e o OpenStudio. Estes programas permitem obter com

facilidade o desenho tridimensional de um caso prático, sendo possível introduzir todos os elementos

construtivos existentes na habitação e inúmeras condições específicas como, por exemplo, a

localização, a temperatura, a humidade e o vento. Em suma, este método permite fazer uso das

vantagens computacionais de simular com certa facilidade e rapidez diferentes cenários, desde que

devidamente descritos pelo utilizador (cenários que, de outra forma, dificilmente poderiam ser

estabelecidos ou analisados).

Como se pode já ter deduzido, pela descrição anterior, este será o método utilizado para a comparação

com dados experimentais, uma vez que permite a introdução de condições específicas existentes na

habitação, para um dado intervalo de tempo, e, deste modo, comparar perfis de temperatura em

condições iguais. Através deste método, pretende-se assim comparar os perfis de temperatura antes e

depois da reabilitação de vãos envidraçados.

2.1.3 Outros Métodos Existentes

Actualmente, já existem programas que vão ao encontro dos objectivos do método Simplificado, em

termos da análise energética à reabilitação de janelas, como é o caso do programa RESFEN. Este

programa, desenvolvido nos Estados Unidos da América pela Universidade da Califórnia, no ano de

2012, trata-se de um método relativamente simples que determina as necessidades energéticas de

aquecimento e arrefecimento, tal como a respectiva factura energética para uma determinada

habitação. Este programa requer os seguintes inputs:

localização;

10

características das janelas para as orientações norte, sul, este e oeste;

tipo de edifício, em termos de um ou dois andares, se é uma habitação nova ou existente e se

apresenta uma construção em armação ou em alvenaria;

tipo de sistema de climatização (caldeira a gás e ar condicionado ou bomba de calor eléctrica);

tipo de fundação, isto é, espaço abaixo do pavimento; e

custo da electricidade e do gás em função da localização.

Este programa permite considerar quantos casos se pretenda, no entanto, para um caso de reabilitação

das janelas é necessário considerar os dois casos (antes e após reabilitação) separadamente e,

posteriormente, comparar os resultados. O método, apesar de simples e intuitivo, apresenta

simplificações em termos da construção, pressupondo habitações standard, o que é tipicamente

aplicável nos Estados Unidos da América, mas não em Portugal.

2.2 Conforto Habitacional

Globalmente os vãos envidraçados exibem um impacto relevante nas condições de conforto interiores

da habitação para com os ocupantes, condicionando a saúde e bem-estar dos mesmos [17]. As

condições de conforto podem ser distinguidas em:

conforto térmico;

qualidade do ar interior;

conforto visual (iluminação natural e vista para o exterior); e

conforto acústico (isolamento a sons aéreos).

2.2.1 Conforto Térmico

O conforto térmico é a condição da mente que expressa satisfação com o seu ambiente térmico, sendo

por isso, caracterizado por uma avaliação subjectiva para com o ocupante [18]. A sensação de conforto

térmico está associada a um estado de neutralidade térmica, que é assegurado quando existe um

equilíbrio térmico entre o calor gerado pelo metabolismo humano e pelo meio que o rodeia. Assim, os

principais factores que influenciam o conforto térmico são aqueles que regem a geração ou perda de

calor como, por exemplo: o metabolismo (nível de actividade desenvolvida), o vestuário (isolamento

térmico e permeabilidade ao vapor de água do vestuário), a temperatura ambiente, a temperatura

radiante média, a velocidade do ar, a humidade relativa e parâmetros psicológicos do ocupante.

Resumidamente, como Pinto [19] refere, “o desconforto térmico sentido pelos ocupantes pode ser

provocado por uma sensação de desconforto local, ocasionada por um aquecimento ou arrefecimento

diferenciado de certas partes do corpo, ou então devido a um desconforto generalizado do corpo

associado à falta de equilíbrio térmico entre o corpo humano e o ambiente.”

Em relação ao conforto térmico, deve ainda ter-se em consideração que a sensação de conforto, além

de envolver aspectos fisiológicos relacionados com os mecanismos de termorregulação anteriormente

mencionados, é também afectada pela adaptação fisiológica, ou seja, pela componente psicológica e

pelo comportamento dos ocupantes. Por sua vez, a percepção térmica por parte dos ocupantes é

11

influenciada pelo seu historial de exposição térmica, pelas suas expectativas e por aspectos culturais

[20]. O comportamento dos ocupantes pode depois manifestar-se através de: ajustamento pessoal

(alteração de vestuário e de actividade física, ingestão de líquidos quentes ou frios e mudança de local

na fracção) ou ajustamento do ambiente térmico do local (por exemplo, abertura de janelas, activação

de sombreamento, ligar uma ventoinha e ligar sistemas de aquecimento ou arrefecimento). O

ajustamento cultural, por sua vez, diz respeito às alterações de horário de trabalho, à regulamentação

de vestuário, entre outros. Devido a esta adaptação fisiológica, considera-se que os ocupantes das

habitações podem desempenhar um papel activo na criação de condições de conforto e, por isso, na

variação das necessidades de aquecimento e de arrefecimento [19].

Dado que o tema do conforto térmico é bastante complexo e subjectivo, ao longo do tempo, foram

definidos vários índices para avaliar as condições de conforto térmico, apresentados na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Índices de conforto térmico. Retirado de [19].

Índices Directos Índices Racionais Derivados Índices Empíricos

temperatura seca do ar;

temperatura de orvalho;

temperatura de bolbo

húmido;

humidade relativa;

velocidade do ar.

temperatura média radiante;

temperatura operativa;

stress térmico.

temperatura efectiva;

temperatura efectiva normalizada

PMV;

PPD.

Ao longo desta dissertação, para o caso do método detalhado EnergyPlus, a temperatura interior

apresentada corresponde à temperatura operativa. Quando se considera a temperatura interior para o

conforto térmico global do habitante e, sempre que possível, deve considerar-se a temperatura interior

como a temperatura operativa. Esta temperatura incorpora de uma forma simples a transmissão de

calor por convecção e radiação entre os ocupantes e o ambiente interior [19].

Para as análises energéticas segundo os métodos detalhados e simples, considera-se como condição

base que o conforto térmico é satisfeito para as condições de temperatura do espaço interior definidas

para as respectivas estações de aquecimento e arrefecimento (ver secção 2.4).

Conforto Térmico devido aos Vãos Envidraçados

Especificamente em relação aos envidraçados, Pinto refere que “os vãos envidraçados são um

elemento da envolvente exterior caracterizados por uma baixa inércia térmica e por um baixo

isolamento térmico, quando comparado com os elementos opacos da envolvente” [19]. Adicionalmente,

“devido a estas propriedades, a temperatura superficial dos vãos envidraçados tem uma amplitude

superior à dos elementos opacos e varia rapidamente com as solicitações térmicas exteriores, podendo

nos dias frios ou em condições de forte insolação ser causa de desconforto associado a uma

temperatura interior excessivamente baixa ou excessivamente elevada, que pode atingir valores de

cerca de 4 °C a 60 °C” [19]. As causas de desconforto associadas aos vãos podem estar relacionadas

12

com possíveis desequilíbrios térmicos entre os ocupantes e o ambiente interior (designado como

desconforto global) ou ser impulsionadas por um arrefecimento/aquecimento diferenciado de algumas

partes do corpo (assim designado por desconforto local). Normalmente, estes aspectos específicos do

comportamento térmico dos vãos envidraçados não são considerados, por serem difíceis de prever e

algo subjectivos, no entanto, podem resultar num impacto significativo na eficiência energética do

edifício, dado que para colmatar estes aspectos é requerido um aumento ou diminuição da temperatura

do ar interior [19]. Desta forma, é aceitável considerar que os vãos envidraçados, em alguns casos,

podem revelar uma influência considerável no bem-estar do ocupante a nível local, não sendo

importantes apenas em termos globais, devido à transmissão de calor.

2.2.2 Qualidade do Ar Interior

De forma a garantir o bem-estar dos ocupantes no interior da habitação, é também necessário

assegurar a qualidade do ar interior. Uma má qualidade do ar interior pode originar problemas para a

saúde do ocupante, tal como fadiga, dores de cabeça, espirros ou ainda doenças respiratórias graves,

como cancro e asma [19]. Para assegurar a qualidade do ar interior é necessário que exista uma

renovação mínima do ar, para Portugal definida pelo valor de 0.6 h-1 renovações do ar interior [15]. A

renovação do ar apresenta como finalidade garantir a remoção de poluentes, promover a admissão de

oxigénio, minimizar o risco de transmissão de doenças por via respiratória e promover condições que

estimulem o conforto e a produtividade [19]. Regra geral, deve ter-se em consideração que a existência

de poluentes se deve aos poluentes existentes no ar exterior e aos poluentes derivados de fontes/poços

de poluição no interior da habitação, como é o caso dos materiais de construção, do mobiliário, dos

equipamentos de combustão e até dos próprios ocupantes [19].

2.2.3 Conforto Visual

O conforto visual nas habitações está relacionado com vários factores, como o panorama da edificação

para o exterior e a iluminação natural (brilho e iluminância da radiação solar). Especificamente em

relação à iluminação natural, esta permite que os olhos dos ocupantes funcionem de forma mais

eficiente, dado que se trata do tipo de radiação que melhor é assimilada e menor cansaço causa durante

o trabalho. Quando utilizada correctamente, a iluminação natural cria um ambiente interior estimulante,

capaz de promover o bem-estar e aumentar a produtividade das actividades inerentes e, ao mesmo

tempo, reduzir as exigências energéticas associadas à iluminação artificial (luzes eléctricas). O

incentivo ao uso da iluminação natural pode, por vezes, reduzir as necessidades de arrefecimento,

dado que as cargas térmicas associadas às luzes eléctricas diminuem nos casos em que as janelas

possuem uma correcta protecção solar, que evitam ganhos solares excessivos. Por outro lado, a

iluminação natural, quando não controlada correctamente, possui efeitos prejudiciais, em termos dos

já mencionados ganhos solares, do brilho excessivo, da possível degradação de objectos sensíveis à

luz solar, da sua interferência com equipamentos audiovisuais e ainda no sentido de privacidade dos

ocupantes [21]. A ocorrência de condensações de vapor na superfície interior dos envidraçados, por

exemplo, apresenta-se como um factor condicionante para o conforto visual, na medida em que origina

uma redução da visibilidade e, regra geral, são consideradas desagradáveis por parte dos ocupantes.

13

2.2.4 Conforto Acústico

O conforto acústico proporcionado pela envolvente da habitação representa um factor bastante

importante para o conforto habitacional, em especial para o caso das habitações em zonas urbanas,

onde o nível de ruído é elevado e prejudicial para o ocupante. Com isto em mente, são definidos limites

para os valores de ruído permitidos. Resumidamente, segundo Decreto-Lei n.º9/2007, espaços

habitacionais (zonas sensíveis) não podem ficar expostas a ruído ambiente exterior superior a 55 dB(A)

no período diurno e entardecer (das 7 às 23 horas), e a 45 dB(A) no período nocturno (das 23 às 7

horas) [22]. Em relação aos sons aéreos, considera-se o termo D2m,n, que representa o isolamento

sonoro a sons de condução aérea. Segundo o RRAE (Regulamento dos Requisitos Acústicos dos

Edifícios) para edifícios habitacionais define-se, como exigência mínima um isolamento sonoro de D2m,n

≥ 28 dB [23].

Especificamente em relação aos envidraçados, o isolamento sonoro global específico depende tanto

das características do caixilho como do vidro. Adicionalmente, o tipo de janela também é um termo

relevante, na medida em que uma janela de batente apresenta desempenhos acústicos superiores a

uma janela de correr [24].

2.3 Transmissão de Calor e Massa

O estudo dos vãos envidraçados por si só não é suficiente, sendo necessário considerar toda a

envolvente do edifício ou habitação. Com esse propósito, a presente subsecção pretende identificar e

introduzir de que forma a energia é transferida através dos elementos construtivos da habitação,

através da introdução de alguns conceitos teóricos.

2.3.1 Mecanismos de Transmissão de Calor

A energia pode ser transmitida através de interacções (trabalho e/ou calor) de um sistema para a sua

vizinhança, sendo que, para o presente trabalho, a parcela de calor é a única a considerar. A

transmissão de calor é definida como energia térmica em transição, devido a uma diferença de

temperaturas no espaço, ou seja, sempre que exista um gradiente de temperatura num dado meio ou

entre meios, haverá necessariamente transferência de calor [25]. Os mecanismos de transmissão de

calor pelos elementos constituintes da fracção em estudo são divididos em: condução, convecção e

radiação. Adicionalmente distingue-se o termo, infiltração, associado à convecção e que apresenta uma

influência importante nas trocas de calor pela envolvente [26].

Condução

Quando se refere à transferência de calor que ocorre através de um meio estacionário, quer seja sólido,

fluido ou gasoso, usa-se o termo condução. Este é um processo que pode ocorrer dentro de um

elemento isolado ou entre elementos diferentes, caso se encontrem em contacto directo. A passagem

de calor pelo meio ocorre de um ponto de temperatura mais elevada para outro ponto de temperatura

mais baixa, devido à excitação dos seus átomos e moléculas constituintes. Tendo em conta que, a

14

temperaturas mais altas, estão associadas energias moleculares mais elevadas, quando existem

interacções entre moléculas ocorre uma transferência de energia das moléculas mais energéticas para

as menos energéticas. Desta forma, a energia é transferida para regiões adjacentes, com níveis de

energia mais baixos, ou seja, com temperatura inferior.

É possível quantificar os processos de transmissão de calor em termos de equações de fluxo energético

apropriadas. Essas equações são utilizadas para calcular a quantidade de energia que é transferida

por unidade de tempo, sendo que, para a condução térmica, a equação de fluxo é conhecida como lei

de Fourier [25] apresentada pela equação (2.1).

𝑞𝑛′′ = −𝑘

𝑑𝑇

𝑑𝑛

(2.1)

O fluxo térmico 𝑞𝑛′′ (W.m-2) representa a taxa de transferência de calor na direcção n por unidade de

área perpendicular à direcção da transferência, sendo proporcional ao gradiente de temperatura,

𝑑𝑇𝑑𝑛⁄ , nessa direcção. O parâmetro k (W.m-1.K-1) é uma propriedade de transporte conhecida como

condutividade térmica, sendo uma característica do material. O sinal menos da equação deve-se ao

facto de o calor ser transmitido no sentido de gradiente de temperatura negativo.

Convecção

O termo convecção refere-se à transferência de energia entre uma superfície e um fluido em movimento

sobre essa mesma superfície. Este termo essencialmente abrange dois mecanismos, a difusão, devido

ao movimento molecular aleatório das moléculas do fluido, como ocorre na condução, e a advecção

devido ao movimento macroscópico do fluido. A este movimento do fluido está associado a facto de

que as moléculas, apesar de manterem os seus movimentos aleatórios, movimentam-se como um

agregado que, na presença de um gradiente de temperatura, contribuem para a transferência de calor.

Utiliza-se o termo convecção para fazer referência ao transporte agregado de ambos os mecanismos

e o termo advecção para fazer referência ao transporte unicamente devido ao movimento global do

fluido.

A convecção pode ainda ser classificada de convecção natural e de convecção forçada. A convecção

natural ocorre quando o movimento é induzido por forças de impulsão, devidas a diferenças de

densidade causadas por variações de temperatura no fluido. A convecção forçada, por sua vez, ocorre

quando o escoamento é gerado por meios externos, como é o caso do vento devido a uma diferença

de pressão. A energia transferida por convecção é quantificada pela equação (2.2), designada por lei

do arrefecimento de Newton [25].

𝑞′′ = −ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) (2.2)

O fluxo de calor por convecção 𝑞′′(W.m-2), é proporcional à diferença entre as temperaturas da

superfície (Ts) e do fluido (T∞). O parâmetro h (W.m-2.K-1), por sua vez, diz respeito ao coeficiente de

transferência de calor por convecção, que depende da geometria da superfície, da natureza do

escoamento do fluido e das propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido.

15

Infiltração

O termo infiltração (ou também designado por exfiltração) representa o caudal de ar que entra (ou que

sai) no edifício, através de fendas ou outras aberturas não intencionais. Geralmente, os elementos que

maior contribuem para as infiltrações são os vãos envidraçados e portas exteriores. O caudal de ar das

infiltrações depende da espessura das janelas e portas, da velocidade do vento exterior (gradientes de

pressão) e da altura do edifício.

Relativamente à parcela dos vãos envidraçados, esta depende de factores como:

Tipo de vãos instalados;

Tipo de isolamentos utilizados nos vãos;

Localização dos vãos no edifício;

Localização do edifício; e

Condições atmosféricas, como velocidade do vento e diferença de temperaturas devido à

pressão atmosférica [26].

De notar que o termo de infiltração é tão mais importante quanto maior for o gradiente de temperaturas

entre o interior e o exterior da habitação. A razão de infiltração pode ser assumida como sendo uma

variação linear [27]. De forma a compreender a parcela de carga térmica associada às infiltrações,

convém distinguir a mesma em dois tipos de calor, o calor sensível e o calor latente. O calor sensível é

definido como o calor que origina um aumento da temperatura da humidade do ar. O calor latente, por

sua vez, está associado à evaporação e condensação da humidade do ar, isto é, com a mudança de

fase entre os estados líquido e vapor do fluido.

O termo de infiltrações corresponde à taxa de renovações de ar por hora, Rph (h-1), ou seja, ao número

de vezes que o ar total da habitação é renovado numa hora. Para habitações, a renovação do ar pode

ser determinada através de uma folha de cálculo desenvolvida pelo LNEC [28], quer para situações de

ventilação natural, quer para situações com a existência de sistemas mecânicos de ventilação. Esta

folha de cálculo permite determinar a renovação do ar de uma forma mais exacta quando existe

informação relativa a ensaios de permeabilidade ao ar da habitação, isto é, ensaios de pressurização.

Para a presente dissertação foram considerados ensaios de pressurização para os dois casos de

estudo considerados, apresentados nas secções 4.2.2 e 4.3.2.

Os valores de caudal de ar, Q (m3.h-1), associados às janelas e portas da habitação correspondem a

valores de referência associados a um dado diferencial de pressão, que são normalmente fornecidos

pelos fabricantes [6]. Regra geral, estes valores são obtidos para uma diferença de pressão (ΔP (Pa))

de 50 Pa em relação à pressão atmosférica. Nestas condições, o coeficiente de escoamento (Cs)

obtém-se através da lei de potência (equação (2.3), retirada de [6] e [29]), que estabelece a relação

entre o caudal que passa numa abertura e a diferença de pressão entre os dois lados da mesma. O

termo n representa o expoente de escoamento, variável entre 0.5 e 1 consoante se trate de escoamento

turbulento (frinchas de pequenas dimensões) ou escoamento laminar (frinchas de grandes dimensões),

respectivamente [30].

16

𝑄 = 𝐶𝑠∆𝑃𝑛 (2.3)

Radiação

O termo radiação diz respeito à energia emitida por um corpo ou meio, com uma temperatura não nula,

devido ao movimento de ondas electromagnéticas (ou, alternativamente, fotões). Desta forma, mesmo

na ausência de um meio participante, existe transferência de calor líquida por radiação, entre

superfícies ou meios a diferentes temperaturas.

Enquanto que a transferência de energia por condução ou convecção requer a presença de um meio

material, a radiação não necessita de um. A energia transmitida por radiação (na presença de meios

não participantes) pode ser descrita pela equação (2.4), apresentada em seguida [25].

𝑞𝑟𝑎𝑑′′ = 𝜀𝜎(𝑇𝑠

4 − 𝑇𝑣𝑖𝑧4 ) (2.4)

O fluxo de calor por radiação 𝑞𝑟𝑎𝑑′′ (W.m-2), é proporcional à diferença entre as temperaturas da

superfície (Ts) e da sua vizinhança (T∞). O parâmetro σ é a designada constante de Stefan-Boltzmann

(σ=5.67х10-8 W.m-2.K-4), enquanto que o parâmetro ε é uma propriedade radiante da superfície

conhecida por emissividade, com valores na faixa de 0 ≤ ε ≤ 1. O parâmetro de emissividade fornece

uma medida da eficiência na qual uma superfície emite energia em relação a um corpo negro.

2.3.2 Trocas de Calor na Envolvente e nos Vãos Envidraçados

As pessoas passam grande parte das suas vidas em edifícios residenciais sendo por isso do máximo

interesse que estes ofereçam níveis de conforto adequados. Neste tipo de edifícios, os principais

componentes associados à transferência de energia são os próprios residentes, os sistemas de

aquecimento e de ventilação e elementos constituintes da envolvente, como é o caso das janelas.

Em suma, o impacto dos vãos envidraçados nas habitações deve-se à sua influência nos fenómenos

de transmissão de calor e de massa, nomeadamente, em termos de:

transmissão de calor por condução;

transmissão de calor por convecção (infiltração e escoamento do ar pelas aberturas das

janelas);

transmissão de calor por radiação;

transmissão da luz natural; e

transmissão de ruído.

Para o desenvolvimento deste trabalho, apenas tem interesse estudar as trocas de calor existentes

entre a habitação e o exterior, tal como as respectivas condições-fronteira. Considere-se um volume

de controlo que representa uma habitação na sua totalidade. As condições atmosféricas variam ao

longo do ano, em particular, a temperatura do ar exterior. De acordo com os mecanismos de

transmissão de calor mencionados, o ambiente interior da habitação normalmente tende para as

condições de temperatura registadas no exterior.

De uma forma geral, a condução existe nos elementos opacos da envolvente, bem como nas janelas

17

ou portas envidraçadas. A convecção, por sua vez, encontra-se representada no ar interior e exterior

do edifício, assim como nas infiltrações ou exfiltrações existentes. A radiação está relacionada com a

radiação solar incidente na habitação, que pode ou não ser transmitida para o interior, e pela radiação

emitida pela própria envolvente da habitação. A representação esquemática destes mecanismos de

transmissão de calor para a zona da envolvente onde existem vãos envidraçados é apresentada pela

Figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação esquemática de um vão envidraçado com as várias formas de transmissão de calor. Adaptado de [27].

Em suma, estes mecanismos agrupam-se em ganhos ou perdas de energia da habitação, podendo ser

benéficos ou prejudiciais, conforme a altura do ano e as condições atmosféricas. Existe assim a

necessidade de dividir o ano em duas estações climáticas, uma de aquecimento e outra de

arrefecimento do espaço interior.

2.4 Necessidades Energéticas

2.4.1 Estação de Aquecimento

Considera-se a estação de aquecimento como a altura do ano em que é necessário aquecer o ambiente

interior da habitação, apresentando uma duração variável consoante a localização durante o Inverno.

Com a existência de condições adversas no exterior, existe a necessidade de aquecer e humedecer o

ar da habitação, de modo a manter as condições de conforto no seu interior. As designadas condições

de conforto variam de pessoa para pessoa conforme os seus hábitos, sendo definidas como uma

temperatura constante a 18°C [15]. Na estação de aquecimento, é necessário fazer face às perdas de

calor existentes para o exterior, através da envolvente opaca, das infiltrações e dos vãos envidraçados

durante a noite (infra-vermelhos).

A radiação solar representa um ganho térmico durante esta altura do ano, pelo que o seu correcto

Trocas de calor

por condução

e/ou convecção

Centro do vidro

Caixilho

Borda do vidro

Infiltrações

Caixilho

Radiação Solar

18

aproveitamento permitirá reduzir a energia necessária para aquecer o ambiente interior, ou seja,

necessidades energéticas de aquecimento. Segundo o REH, esta energia é designada de

necessidades nominais de energia útil para o aquecimento do edifício, Nic (kWh.m-2.ano-1), calculadas

em termos anuais através da equação (2.5) [15], em que:

𝑁𝑖𝑐 = (𝑄𝑡𝑟,𝑖 + 𝑄𝑣𝑒,𝑖 − 𝑄𝑔𝑢,𝑖) 𝐴𝑝⁄ (2.5)

𝑄𝑡𝑟,𝑖 - transferência de calor por transmissão na estação de aquecimento através da envolvente

dos edifícios (kWh);

𝑄𝑣𝑒,𝑖 - transferência de calor por ventilação na estação de aquecimento (kWh);

𝑄𝑔𝑢,𝑖 - ganhos térmicos úteis na estação de aquecimento resultantes dos ganhos solares através

dos vãos envidraçados, da iluminação, dos equipamentos e dos ocupantes (kWh); e

𝐴𝑝𝑎𝑣 - área interior útil de pavimento do edifício (m2).

O termo Qtr tem em conta as parcelas referentes a:

paredes externas, cobertura e pavimento;

paredes interiores e espaços não aquecidos;

perdas pelo chão; e

pontes térmicas planares.

Na equação anterior o termo de ganho térmico útil Qgu,i possui um sinal negativo, uma vez que é

considerado um termo benéfico, que reduz as necessidades energéticas da habitação. De modo a

retirar o melhor partido dos ganhos gratuitos através dos vãos envidraçados, não devem existir

obstruções dos mesmos durante o dia (caso de cortinas). Adicionalmente devem utilizar-se dispositivos

de oclusão nocturna nas janelas.

2.4.2 Estação de Arrefecimento

Considera-se a estação de arrefecimento como a altura do ano em que é necessário arrefecer o

ambiente interior da habitação, isto é, durante a estação de Verão (regra geral, as temperaturas mais

elevadas no exterior correspondem aos meses de julho e agosto). Em condições opostas à estação de

aquecimento, é necessário arrefecer o ambiente interior de modo a manter o conforto habitacional.

Nesta estação existe a necessidade de evitar um possível sobreaquecimento, o qual, após ultrapassar

um determinado limiar de temperatura, pode resultar em desconforto para com o habitante. Embora

este limiar seja função de diversos parâmetros, tal como o nível de vestuário, o tipo de actividade e a

humidade do ar, normalmente situa-se nos 25°C [15].

Nesta estação, a temperatura exterior tende a ser superior à temperatura no interior da habitação, pelo

que se verifica a transmissão de calor do exterior para o interior, através da envolvente e das infiltrações

ao qual se consideram como perdas. Por sua vez, os ganhos, tal como na estação de aquecimento

devem-se à ocupação, aos equipamentos, à iluminação e à radiação solar. Estes podem representar

um termo prejudicial, uma vez que aumentam as necessidades de arrefecimento, e em certos casos,

levam a que a temperatura interior ultrapasse os 25°C desejados.

À energia necessária para o arrefecimento do ambiente interior denomina-se de necessidades nominais

de energia útil para o arrefecimento do edifício, Nvc (kWh.m-2.ano-1) traduzida pela Equação (2.6) em

termos anuais [15], em que:

19

𝑁𝑣𝑐 = (1 − 𝜂𝑣)𝑄𝑔,𝑣 𝐴𝑝⁄ (2.6)

𝜂𝑣 - factor de utilização dos ganhos térmicos na estação de arrefecimento;

𝑄𝑔,𝑣 - ganhos térmicos brutos na estação de arrefecimento (kWh); e

𝐴𝑝𝑎𝑣 - área interior útil de pavimento do edifício (m2).

2.5 Metodologia

Atendendo à necessidade de um método simplificado, apresenta-se a metodologia e estratégias

seguidas para o desenvolvimento do mesmo. Para ser possível desenvolver o método Simplificado

pretendido, procedeu-se numa primeira fase a uma análise de sensibilidade dos vários parâmetros que

afectam o cálculo das necessidades energéticas, assim como uma avaliação das simplificações a

considerar. A ferramenta desenvolvida foi de seguida aplicada a dois casos de estudo diferentes,

paralelamente com os dois métodos detalhados já mencionados (REH e EnergyPlus), de maneira a

comparar os resultados obtidos. Com o intuito de identificar o impacto da reabilitação dos envidraçados

num caso real, foram obtidos dados experimentais para um dos casos de estudo sujeito à reabilitação.

Em suma, a metodologia seguida neste trabalho encontra-se estruturada da seguinte forma:

Análise de sensibilidade para identificar os parâmetros mais relevantes e possíveis

simplificações a considerar no método Simplificado

o Aplicação do método REH

o Aplicação do método EnergyPlus

Desenvolvimento da ferramenta de cálculo do método Simplificado

o Inputs

o Outputs

o Simplificações e equações incluídas

o Interface gráfica utilizador-ferramenta

Aplicação dos três métodos a dois casos de estudo na zona de Lisboa

Dados experimentais

Caso de Estudo 1 (Ensaio de permeabilidade ao ar)

Caso de Estudo 2 (Ensaio de permeabilidade ao ar e medição de temperatura,

pré e pós-reabilitação)

Discussão dos resultados obtidos

Parâmetros importantes caso se verifique

um desvio superior a 5 % nos resultados.

3

3.1 Introdução .............................................................................................................................. 20

3.2 Análise de Sensibilidade ....................................................................................................... 21

3.3 Estrutura do Método Simplificado.......................................................................................... 31

Método Simplificado

20

3.1 Introdução

Em primeiro lugar, é importante definir o que se entende por um método simplificado no contexto deste

trabalho. Considerando que, nos dias de hoje, o tempo computacional começa a ser um factor pouco

relevante, o termo simplificado deste método remete para a necessidade de um reduzido número de

inputs a fornecer face à diversidade de outpus apresentados.

O método Simplificado foi desenvolvido através de uma folha de cálculo Excel, o qual segue uma

metodologia idêntica à seguida pelo REH e pelas normas definidas pelo EPBD e CEN (European

Committee for Standardization) [31]. Este método incorpora a folha de cálculo Excel fornecida pelo

LNEC “Ventilação REH e RECS” que é citada no despacho n.º 15793-K/2013 do REH [15], tendo sido

adaptada para o presente método Simplificado. Adicionalmente, este método teve como ponto de

partida uma folha de cálculo Excel já existente, inicialmente desenvolvida pelo LNEC [32]. Esta folha

de cálculo possuía uma capacidade de análise relevante para a análise da influência dos vãos

envidraçados no desempenho energético das habitações. Durante a elaboração deste método, cada

parâmetro utilizado pela folha de cálculo foi sujeito a verificação e análise de sensibilidade e foram

introduzidas actualizações de forma a incorporar aspectos de conforto, económicos, acústicos e

ambientais derivados da reabilitação de vãos envidraçados. De destacar ainda o desenvolvimento da

interface da folha de cálculo para a tornar mais apta a estudos de reabilitação, de forma a apresentar

os resultados finais da reabilitação dos vãos envidraçados em termos gráficos e rapidamente

comparáveis.

De uma forma geral, os tópicos tratados para o desenvolvimento deste método encontram-se

resumidos nos seguintes pontos:

identificar e avaliar os parâmetros mais relevantes para o comportamento térmico da

habitação;

efectuar uma análise de sensibilidade em relação à influência dos parâmetros identificados

anteriormente e seleccionar apenas os parâmetros relevantes, isto é, aqueles que causam

variação superior a 5% nos resultados de necessidades energéticas segundos os métodos

detalhados;

desenvolver e actualizar a ferramenta de cálculo, de maneira a incluir aspectos económicos,

acústicos e ambientais da energia incorporada nos materiais da reabilitação;

aplicar o método a dois casos de estudo e comparar com os resultados dos métodos

detalhados;

analisar os resultados obtidos; e

melhorar a interface utilizador-ferramenta informática.

O método Simplificado é composto por três folhas de cálculo que são disponibilizadas ao utilizador. A

primeira folha tem por objectivo o input de uma série de dados relativos às características gerais da

habitação, sendo exemplos disso a localização, as dimensões da fracção, as características da

envolvente exterior e sistema de ventilação existente (ventilação natural ou mecânica). A segunda folha

inclui a especificação das características correspondentes às janelas e aos ganhos internos,

21

apresentando os resultados finais em tempo real através de uma interface intuitiva. Estes resultados

finais são apresentados em termos de variação de necessidades energéticas e temperaturas médias

interiores para as duas estações (Inverno e Verão), entre o caso base de vãos envidraçados e um caso

de reabilitação de vãos. Adicionalmente, são ainda apresentados resultados em termos económicos,

designadamente, a poupança energética, o VAL (Valor Actual Líquido) e o retorno económico. Por fim,

a terceira folha apresenta de uma forma mais detalhada os resultados finais em forma de tabela. A

interface com as três folhas de cálculo do método Simplificado é ilustrada no Anexo A, para a aplicação

do método a um caso tipo.

Neste capítulo é apresentada a análise de sensibilidade aos parâmetros mais importantes para a

análise energética de edifícios. Adicionalmente, em relação ao método Simplificado, são mencionadas

as simplificações consideradas, as principais equações, os valores utilizados e o tipo de resultados

finais fornecidos.

3.2 Análise de Sensibilidade

De forma a ser possível desenvolver um método simplificado, é imperativo avaliar a relevância dos

parâmetros usualmente utilizados em análises térmicas a habitações. Com este propósito, nesta

secção são listados e analisados todos os parâmetros considerados importantes. Esta análise é feita

com base nos resultados obtidos em termos de necessidades energéticas (Nic e Nvc) e temperaturas

médias interiores (Tmi,inv e Tmi,ver) para a estação de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente,

obtidos na sua maioria através dos dois métodos detalhados. O EnergyPlus quando aplicado não

permite obter directamente as temperaturas médias para cada estação, pelo que foi necessário

pressupor que os meses de Janeiro e de Julho são representativos da estação de aquecimento e de

arrefecimento, respectivamente.

Para a realização desta análise de sensibilidade, foram definidos os seguintes factores como

importantes e a avaliar:

Factor de forma;

Clima;

Inércia térmica;

Orientação;

Envolvente opaca (paredes, cobertura e pavimento);

Janelas (área e tipo de janelas);

Renovação do ar;

Sombreamento; e

Ocupação.

Para avaliar a influência de cada um destes factores, foi definida uma gama de variação em torno de

um valor típico. Estes valores típicos consistem aproximadamente no valor médio da gama definida.

Desta forma, o conjunto caracterizado pelas soluções típicas para cada parâmetro foi designado de

22

“Modelo Base”. Com este modelo em mente foi realizada uma análise individual para cada parâmetro,

sendo que os restantes parâmetros são mantidos constantes. Assim, a variação dos valores obtidos

(necessidades energéticas e temperaturas médias interiores) pôde ser avaliada em relação à situação

de valores médios para cada parâmetro.

1- Factor de Forma

O parâmetro de factor de forma (FF, m-1) é definido pela equação (3.1) como sendo o quociente entre

o somatório das áreas da envolvente exterior (Aext) e interior (Aint) do edifício e o respectivo volume

interior (V), com o termo Ԏ a representar um factor de externalidade [15]. O factor de forma pretende

de certa forma normalizar as geometrias dos edifícios.

𝐹𝐹 = [𝐴𝑒𝑥𝑡 + ∑(Ԏ𝐴𝑖𝑛𝑡)𝑖] 𝑉⁄ (3.1)

O factor Ԏ pode variar entre 0 e 1, sendo que o valor 0 corresponde a uma situação em que a face

oposta da parede interior possui uma temperatura igual à temperatura interior e o valor 1 quando possui

uma temperatura igual à temperatura exterior.

Por sua vez, tem-se o termo btr (Coeficiente de redução de perdas de espaços não úteis), definido pela

equação (3.2), em que θ pode representar o valor da temperatura interior (int), da temperatura exterior

(ext) ou do espaço não útil (ENU). Este parâmetro assume o valor de 1 quando a temperatura do espaço

não útil é igual à temperatura exterior e assume o valor de 0 quando esta temperatura é igual à

temperatura interior.

𝑏𝑡𝑟 =𝜃𝑖𝑛𝑡 − 𝜃𝐸𝑁𝑈

𝜃𝑖𝑛𝑡 − 𝜃𝑒𝑥𝑡

(3.2)

Este parâmetro representa a influência das trocas de calor pela envolvente interior para espaços não

úteis (ENU) e edifícios adjacentes. Por norma, edifícios adjacentes são considerados como habitados

pelo que apresentam temperaturas idênticas. Desta forma, as trocas de calor entre edifícios habitados

pressupõem-se desprezáveis ou nulas, pelo que o parâmetro btr apenas depende das trocas de calor

para os espaços não úteis, ou espaços não habitados. Regra geral, em apartamentos, os ENU dizem

respeito apenas aos vãos de escadas, que apresentam uma área de paredes em contacto com o interior

reduzida em relação à área total. Em suma, o termo btr pode ser considerado como constante e com

valor nulo. Uma vez que a variável Ԏ varia da mesma forma que este termo, é plausível considerar

que Ԏ assume também um valor próximo de zero, logo, desprezável. Esta simplificação reduz a

equação do factor de forma à equação (3.3), abaixo apresentada.

𝐹𝐹 = 𝐴𝑒𝑥𝑡 𝑉⁄ (3.3)

Com o intuito de avaliar a importância do valor de FF, ou seja, das dimensões e características

geométricas de um edifício, três casos simples foram considerados: um caso com pavimento de

dimensões 10x10 m, um de dimensões 10x20 m e outro caso com 20x10 m, em que todos possuem

um pé direito de 2.7 m. O valor do FF varia conforme a exposição do edifício ao exterior, pelo que foram

consideradas todas as combinações possíveis entre 4 paredes, cobertura e pavimento, obtendo-se

uma gama de valores entre 0.05 e 1.14 m-1. O valor médio considerado para o Modelo Base diz respeito

a um valor de FF de 0.6 m-1, o que tipicamente corresponde a duas paredes e uma cobertura.

23

Os resultados obtidos segundo o REH são apresentados na Figura 3.1, tanto para as necessidades de

aquecimento como de arrefecimento, normalizadas em relação à situação média com FF igual a

0.6 m-1 e em função do factor de forma para os três casos considerados. Os resultados obtidos mostram

que a variação da dimensão da fracção, não tem uma influência excessiva nas necessidades térmicas

nominais (variação máxima de 6%) mas apenas o valor de factor de forma. Assim, no método

Simplificado o detalhe das dimensões solicitadas será relativamente limitado e opcional ao utilizador.

A situação de dimensões 10x10 m indicou ser a mais desfavorável, uma vez que apresentava valores

de necessidades energéticas superiores, pelo que esta foi a geometria utilizada no Modelo Base.

Figura 3.1 – Necessidades energéticas normalizadas à situação média de FF de 0.6 para o método REH em função do valor de FF para três geometrias diferentes: a) resultados de necessidades de aquecimento; e

b) resultados de necessidades de arrefecimento.

O factor de forma foi verificado como sendo um parâmetro relevante e, por isso, a incluir no método

Simplificado. Os resultados obtidos por ambos os métodos detalhados (REH e EnergyPlus) são

apresentados na Tabela 3.1. Estes resultados são apresentados para a gama de valores de FF

considerada, entre 0.05 e 1.14 m-1, ao qual se, verificou um aumento linear das necessidades de

aquecimento e uma tendência de decréscimo das necessidades de arrefecimento.

Tabela 3.1 – Resultados mínimos e máximos de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média de FF de 0.6 para a gama de valores de FF entre 0.05 e 1.14, segundo os métodos

detalhados.

Método Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH 16-77 1-53 2-35 1-6

EnergyPlus 8-49 9-17 1-24 1-6

2- Clima

Segundo o REH, Portugal divide-se em três zonas climáticas de inverno (I1,I2,I3) e três zonas climáticas

de verão (V1,V2,V3), as quais podem ou não coincidir com a mesma região. As zonas climáticas

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5

(Nv

c F

F=

i -N

vc F

F=

0.6

)/N

vcF

F=

0.6

Factor de Forma (m-1)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5

(Nic

FF

=i

-Nic

FF

=0.6

)/N

ic F

F=

0.6

Factor de Forma (m-1)

10x10m

10X20m

20x10m

24

consideradas para o Modelo Base foram as zonas médias, ou seja, I2 e V2. Os resultados obtidos para

a gama que incluiu todas as combinações possíveis entre zonas climáticas são apresentados na

Tabela 3.2. Estes resultados indicam que o parâmetro clima se trata de um parâmetro bastante

relevante, face à acentuada variação nas necessidades energéticas e temperaturas.

Tabela 3.2 – Resultados das necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para todas as combinações de zonas climáticas, segundo os métodos detalhados.

Método Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH 3-10% 1-125% 5-7% 10-14%

EnergyPlus 9-63% 12-135% 0-19% 1-11%

3- Inércia Térmica

A inércia térmica é um parâmetro que caracteriza o tempo de resposta da fracção às solicitações

térmicas, sendo função da massa superficial (kg.m-2) total da fracção em estudo. Regra geral, valores

superiores deste parâmetro traduzem-se numa melhoria de conforto térmico, no Inverno, por aumento

dos ganhos solares úteis e, no Verão, devido à capacidade de regulação da temperatura interior.

No REH existem três classes de inércia térmica: inércia fraca, média e forte, tendo-se considerado uma

inércia térmica média para o Modelo Base. Apenas foi possível avaliar este parâmetro com rigor

segundo o método REH, uma vez que o EnergyPlus não permite uma distinção nítida da massa

superficial total da fracção em estudo. Os resultados obtidos através do método REH são assim

apresentados na Tabela 3.3, nos quais se identificou uma variação relevante de 15% nas necessidades

de arrefecimento. Em relação às temperaturas médias interiores estas não apresentaram variações

significativas.

A variação da inércia térmica não foi tão importante quanto os resultados observados para os restantes

parâmetros, contudo, é importante notar que este termo varia consideravelmente com o gradiente de

temperatura exterior-interior, ou seja, com o clima. Trabalhos anteriores como o de Rebelo [33]

corroboram esta mesma afirmação, o que justifica o uso da inércia térmica.

Tabela 3.3 – Resultados das necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para a inércia térmica, segundo o REH.

Inércia Térmica Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

Fraca 4 15 0 0

Forte 3 15 0 0

4- Orientação

A orientação dos edifícios é normalmente um factor importante na avaliação das necessidades

energéticas e temperaturas, uma vez que a radiação solar incidente depende principalmente deste

parâmetro. Uma possível simplificação deste parâmetro consiste em considerar que a radiação solar

incidente é o valor médio da radiação proveniente de todas as orientações. Os resultados da análise

25

de sensibilidade ao parâmetro orientação são apresentados em relação aos resultados obtidos para a

radiação média incidente. Assim, caso a variação dos resultados seja baixa, poder-se-á desprezar a

orientação do edifício.

Considerem-se as características do Modelo Base descritas ao longo da presente secção. De modo a

melhor compreender a importância do parâmetro de orientação, optou-se por efectuar um estudo a

duas situações distintas. A primeira situação idêntica ao Modelo Base, mas no qual se varia a

orientação de forma a permitir estudar as orientações de forma combinada, de duas a duas orientações

(Norte-Sul e Este-Oeste). A segunda situação diz respeito ao estudo individual das orientações,

considerando que a habitação é composta por apenas uma parede opaca e uma janela que perfaz uma

área de 15 m2, semelhante ao primeiro caso. Os resultados para ambos os casos são apresentados na

Tabela 3.4, apenas segundo o método REH, uma vez que o método EnergyPlus não permite realizar

uma análise idêntica, em que se considerou a radiação média de todas as orientações.

Tabela 3.4 – Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média de radiação solar para duas combinações de orientação, segundo o REH.

Janelas Orientação Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

Duas janelas

(Avão=15m2)

N - S 2 18 1 1

E - O 1 39 1 2

Uma janela

(Avão=15m2)

N 47 74 7 7

S 7 27 10 2

E 24 8 1 1

O 24 8 1 1

O primeiro caso apenas revelou variações importantes para o termo das necessidades de

arrefecimento, facto que advém principalmente da componente da radiação solar nesta estação. Por

sua vez, o segundo caso, em que se considera uma parede e uma janela, é representativo de uma

variação evidente dos resultados com a orientação. Esta grande variação deve resultar do facto de os

resultados não estarem também dependentes de outras fachadas da envolvente do edifício. Situações

como o segundo caso raramente se verificam, uma vez que a maioria das habitações possui, pelo

menos, duas fachadas em contacto com o exterior e, muito dificilmente, apenas uma fachada em

contacto com o exterior e orientada a norte. Ainda assim, o parâmetro orientação deve ser considerado

como importante.

5- Envolvente Opaca

De modo a avaliar o impacto associado à envolvente opaca, a análise de sensibilidade foi efectuada

individualmente para os vários tipos de componentes, nomeadamente, as paredes, a cobertura e o

pavimento. Para cada componente, foram consideradas três soluções de construção segundo as

características de construção tipicamente utilizadas. A primeira, segunda e terceira solução de

construção apresentam, respectivamente, valores de coeficiente U (coeficiente de transferência térmica

global) inferior, igual e superior ao valor de referência do REH. Os valores de U foram determinados

26

com base nos valores de coeficientes de transmissão térmica indicados no ITE 50 [34].

A segunda solução representa o caso considerado para o Modelo Base e, dado que funciona como

termo de comparação para com as restantes soluções, os resultados desta solução não são aqui

apresentados. As características de cada solução são apresentadas na Tabela 3.5.

Tabela 3.5 – Características das três soluções construtivas consideradas para o parâmetro da envolvente opaca.

Elemento Solução Caracterização U (W.m-2.ºC-1)

Parede

1 Simples, alvenaria de tijolo furado de 22 cm 1.3

2 Dupla, tijolo furado de 11 cm e caixa de ar (6 cm) 1

3 Dupla, tijolo furado de 11 cm e isolante (6 cm) 0.4

Cobertura

1 Laje de betão armado de 15 cm, camada de

enchimento e betonilha de regularização 2.5

2 Laje de betão armado de 15 cm, betonilha de

regularização, isolante de 3 cm e betonilha 1

3 Laje de betão armado de 15 cm, betonilha de

regularização, isolante de 3 cm, betão de 3 cm e

camada impermeável

0.6

Pavimento

1 Laje de betão armado de 15 cm e betonilha de

regularização 3.3

2 Laje de betão armado de 15 cm, isolante de 3 cm e

betonilha de regularização 1

3 Laje de betão armado de 15 cm, isolante de 6 cm e

betonilha de regularização 0.6

Os resultados obtidos para esta análise de sensibilidade são apresentados na Tabela 3.6, para ambos

os métodos detalhados em estudo. Estes resultados indicaram que tanto as necessidades energéticas,

como as temperaturas médias interiores, variam de forma relevante com o valor do coeficiente U, pelo

que os três elementos da envolvente opaca devem ser considerados para o método Simplificado.

27

Tabela 3.6 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para a envolvente opaca segundo, os dois métodos detalhados.

Método Solução Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

Parede

REH 1 7 1 1 0

3 14 3 2 1

EnergyPlus 1 5 1 1 1

3 12 4 2 2

Cobertura

REH 1 90 23 9 1

3 23 4 4 1


3 27 0 6 1

Pavimento

REH 1 139 64 11 3

3 23 23 4 1


3 28 19 6 2

6- Janelas

Em relação às janelas foi analisada a influência da área e do tipo de janelas. O termo utilizado para

caracterizar a área das janelas refere-se ao quociente entre a área total das janelas e a área útil de

pavimento (Avão/Apav). Para o presente estudo, foram escolhidos os valores de 10%, 15% e 50%, em

que o valor utilizado no Modelo Base foi de 15% de Avão/Apav. Os resultados obtidos para este parâmetro

são apresentados na Tabela 3.7, os quais indicaram que uma área elevada das janelas (50% de

Avão/Apav) está associada a variações apreciáveis nas necessidades de arrefecimento e na temperatura

média interior de inverno.

Tabela 3.7 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para as diferentes áreas de janelas, segundo os dois métodos detalhados.

Método Avão/Apav (%) Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH 10 1 16 3 0

50 12 118 11 2


50 23 63 45 8

O tipo de janelas ou vãos pode representar uma influência considerável no valor das necessidades

energéticas, uma vez que a estes elementos estão associados maiores valores do coeficiente U que,

desta forma, apresentam uma menor resistência térmica quando comparados com os elementos

opacos típicos, por exemplo. Com o objectivo de avaliar este parâmetro foram considerados seis tipos

de vãos envidraçados diferentes. As características mais importantes dos vãos são apresentadas na

28

Tabela 3.8, tendo-se utilizado valores de coeficiente U retirados do relatório 41/2002-NCCp do LNEC,

que fazem referência ao coeficiente de transmissão térmica médio dia-noite (Uwdn) [35]. Nesta mesma

tabela, o termo gvi representa o factor solar do vidro e o termo Fg a fracção envidraçada.

Tabela 3.8 – Características dos vãos envidraçados considerados.

Vão Envidraçado Caracterização Uwdn (W.m-2.ºC-1) gvi Fg

1 Alumínio, Vidro Simples 6.2 0.88 0.70

2 Madeira, Vidro Simples 5 0.88 0.65

3 Alumínio, Vidro Duplo 4.3 0.75 0.70

4 Alumínio com Corte Térmico, Vidro duplo 3 0.75 0.70

5 PVC, Vidro Duplo 2.6 0.75 0.65

6 PVC, Vidro Duplo Baixo Emissivo (low-e) 1.9 0.65 0.65

Os resultados obtidos apresentam-se na Tabela 3.9, sendo possível verificar que a influência do tipo

de caixilho e vidro das janelas é bastante considerável, em particular, para as necessidades

energéticas. Segundo o método REH, observa-se uma variação semelhante do caso 1 e do caso 6, em

relação ao caso médio (3) para as Nic, no entanto, a variação global do caso 1 para o caso 6 é de cerca

de 31%. Isto significa que a reabilitação de vãos envidraçados com piores características (caso 1) para

vãos envidraçados de melhores características (caso 6) conduz a uma redução de 31% nas

necessidades energéticas para a estação de aquecimento.

Tabela 3.9 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base (vão envidraçado 3) para os diferentes vãos, segundo os dois métodos detalhados.

Método Vão Envidraçado Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH

1 17 10 0 0

2 8 9 1 0

4 11 8 0 0

5 13 5 1 0

6 19 9 1 0

EnergyPlus

1 1 11 2 1

2 1 6 1 0

4 4 5 0 0

5 5 6 1 0

6 5 10 2 0

29

7- Renovação de Ar

O parâmetro de renovação do ar foi também tido em conta na presente análise de sensibilidade, em

que os valores da taxa de renovação do ar por hora (Rph) utilizados para a análise corresponderam a

0.4, 0.6 e 1 h-1. O valor médio foi o considerado para o Modelo Base (0.6 h-1), sendo que este valor

representa o valor mínimo exigido para o método do REH. Os resultados obtidos segundo ambos os

métodos detalhados são apresentados na Tabela 3.10. Estes resultados indicam que o parâmetro de

renovação de ar traduz-se numa influência importante nos valores de necessidades energéticas, em

particular, para a estação de aquecimento. Em relação às temperaturas médias interiores, a renovação

do ar influenciou apenas os resultados obtidos segundo o método EnergyPlus.

Tabela 3.10 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para a taxa de renovação do ar, segundo os dois métodos detalhados em estudo.

Método Rph (h-1) Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH 0.4 11 0 0 0

1.0 22 13 0 0

EnergyPlus 0.4 22 6 3 2

1.0 46 7 5 3

8- Sombreamento

O parâmetro de sombreamento representa todo e qualquer sombreamento existente na habitação

devido à obstrução da radiação solar por palas existentes na fachada ou por outros edifícios e

elementos que criam obstruções no horizonte. Com o intuito de simplificar este parâmetro foram

consideradas as regras de simplificação existentes no método REH, retirado da nota técnica

NT-SCE-01, publicado pela ADENE (Agência para a Energia) [36]. Segundo esta nota, o sombreamento

é dividido em três categorias: situação sem sombreamento, sombreamento normal e sombreamento

forte. O sombreamento foi tido em conta no factor solar dos vãos envidraçados para o método REH e

através do uso de palas horizontais para o método EnergyPlus. Os resultados obtidos para ambos os

métodos apresentam-se na Tabela 3.11, podendo verificar-se que o sombreamento é um parâmetro

relevante para as necessidades energéticas em ambas as estações e para temperaturas médias

interiores no Inverno. De destacar a elevada importância deste parâmetro em relação à temperatura

média interior na estação de aquecimento, que apresentou uma variação máxima de 11%, o que

equivale a uma variação de temperatura de cerca de 1.2°C.

30

Tabela 3.11 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para o sombreamento, segundo os dois métodos detalhados.

Método Sombreamento Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH Fraco 22 23 11 1

Forte 11 13 5 1

EnergyPlus Fraco 8 22 2 1

Forte 9 8 2 0

9- Ocupação

O termo de ocupação diz respeito ao comportamento dos ocupantes e aos ganhos internos existentes

na habitação devido à existência de ocupantes, de equipamentos em funcionamento e de iluminação.

Na presente dissertação, considerou-se que os sistemas de climatização funcionam durante as 24h do

dia, o que na prática é excessivo por não ter em conta o comportamento dos próprios ocupantes (por

exemplo o abrir e fechar de janelas/portas). Este comportamento pode inferir valores de ganhos e

perdas térmicas da habitação, o que pode resultar num aumento ou diminuição na energia de

climatização. Segundo a norma ISO 13790 [13], o comportamento dos ocupantes pode resultar em

variações no uso da energia de climatização de 50 a 150%. É de notar que os métodos detalhados

também não consideram a influência do comportamento dos ocupantes, dada a sua complexidade.

Segundo o REH, o parâmetro de ganhos internos (Gint) apresenta o valor médio de 4 W.m-2 para

habitações, o qual foi considerado para o Modelo Base. De forma a analisar a influência destes ganhos

foram considerados outros dois valores, de 2 e de 10 W.m-2. Os resultados obtidos são apresentados

na Tabela 3.12, indicando uma importância considerável tanto relativo às necessidades energéticas,

como às temperaturas interiores. Por exemplo, segundo o EnergyPlus, o valor de 10 W.m-2 resulta

numa variação superior a 100% (136%) para as necessidades energéticas na estação de

arrefecimento.

Tabela 3.12 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores em relação à situação média do Modelo Base para os ganhos internos, segundo os dois métodos detalhados.

Método Gint (W.m-2) Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,ver (%)

REH 2 14 28 6 1

10 34 94 18 4


10 67 136 22 10

Discussão de Resultados da Análise de Sensibilidade

De acordo com a análise de sensibilidade efectuada, todos os parâmetros considerados apresentaram

um impacto revelante nas necessidades energéticas e, em alguns casos, nas temperaturas médias

interiores. Desta forma, estes parâmetros devem ser considerados para o desenvolvimento do método

31

Simplificado. Para o Modelo Base considerado, os resultados obtidos são apresentados na Tabela 3.13.

Estes resultados apresentam uma discrepância notável entre os valores fornecidos pelos dois métodos

detalhados, particularmente nos valores de necessidades de aquecimento e nas temperaturas médias

interiores.

Tabela 3.13 - Resultados de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores do Modelo Base, para os dois métodos detalhados.

Método Nic (kWh.m-2.ano-1) Nvc (kWh.m-2.ano-1) Tmi,inv (ºC) Tmi,ver (ºC)

REH 60.37 16.19 10.8 23.0

EnergyPlus 25.53 15.64 12.3 27.9

De modo a compreender o motivo das disparidades entre os valores obtidos, optou-se por considerar

vários casos simples em que a influência de alguns parâmetros (tal como a renovação do ar, os ganhos

internos e a envolvente opaca) foi analisada individualmente ou de forma combinada. Esta análise

adicional é descrita no Anexo B, através da qual se verificou que os resultados são efectivamente

diferentes para a componente da envolvente opaca, concluindo-se que a radiação solar incidente

apresenta um impacto importante na estação de aquecimento. Nesta estação, a radiação solar é

considerada um ganho térmico, resultando numa redução das necessidades de aquecimento. O

método REH, apesar de ter em consideração o impacto da radiação solar nos vãos envidraçados, não

o considera para a envolvente opaca, o que, neste caso específico do Modelo Base é o factor que mais

contribuiu para a elevada diferença entre os valores obtidos com o REH e o EnergyPlus.

Além disto, deve ter-se em consideração que quando se analisa uma habitação, o que não é a presente

situação, as necessidades energéticas determinadas por ambos os métodos detalhados devem ser

relativamente semelhantes entre si, devido à existência de uma área de exposição ao exterior muito

inferior à considerada (que neste caso perfez uma área total de 154 m2). Trabalhos precedentes, como

o de Mamede [37], evidenciaram isto mesmo ao revelarem influências devidas aos ganhos solares nas

necessidades de aquecimento de apenas 15%, num edifício gaioleiro quando não considerando

qualquer sombreamento, segundo o software EnergyPlus.

3.3 Estrutura do Método Simplificado

Como mencionado, a ferramenta desenvolvida em formato Excel encontra-se dividida por três folhas

de cálculo com o intuito de apresentar uma interface para com o utilizador simples e concisa. A primeira

folha de cálculo tem por objectivo a introdução dos parâmetros de carácter mais geral da habitação,

enquanto que a segunda folha incorpora os parâmetros de entrada relativos aos vãos envidraçados,

quer para um caso base (de habitações já existentes), quer para um caso reabilitado (em que se

procede à reabilitação dos vãos envidraçados, substituindo os existentes por vãos de melhor

qualidade). Adicionalmente, é nesta segunda folha que os resultados finais são apresentados, de

maneira a que o utilizador comum possa observar directamente o impacto da reabilitação dos vãos na

eficiência energética global da habitação. Por sua vez, a terceira folha de cálculo fornece uma descrição

mais detalhada dos resultados obtidos.

32

3.3.1 Inputs da Ferramenta

Os parâmetros de entrada requeridos pela ferramenta são listados de seguida.

Primeira folha de cálculo

localização da habitação e respectivas características (município, rugosidade do local e

altitude);

dimensões da habitação (área de pavimento e pé direito);

fonte predominante de ruído;

selecção de sistema de ventilação existente (ventilação natural ou mecânica);

fracção exposta ao exterior:

o informação obtida ou a partir do número de paredes e da cobertura em contacto com

o exterior ou a partir do valor de factor de forma;

selecção de época de construção:

o permite definir o coeficiente U da envolvente através de valores de referência do REH

ou permite a introdução de dados pelo utilizador.

selecção das propriedades das paredes e da cobertura (coeficiente U);

características das aberturas de admissão de ar na fachada e tipo de grelhas;

características das condutas de ventilação natural (admissão e exaustão);

exaustão e/ou insuflação por meios mecânicos (ventilação mecânica); e

exaustão e/ou insuflação por meios híbridos de baixa pressão;

Segunda folha de cálculo

características dos vãos envidraçados para um caso base e para um caso reabilitado (Uwdn, gvi,

protecção solar e tipo de sombreamento);

existência ou não de informação do ensaio de permeabilidade ao ar n50;

permeabilidade das caixas de estore;

consideração da opção de orientação da envolvente da habitação;

o neste ponto, é fornecida a opção do utilizador escolher se pretende que os cálculos

sejam determinados por um método de cálculo simplificado ou por um método mais

detalhado em relação à orientação das fachadas e vãos envidraçados:

o método simplificado considera o valor da radiação solar como a radiação

média de todas as orientações (requer a área total dos vãos envidraçados); e

o método mais detalhado considera a radiação solar de cada orientação

individualmente. (requer a área dos vãos envidraçados e o comprimento da

fachada para cada orientação);

características de divisão mais desfavorável ao ruído exterior;

ganhos internos (opcional);

o por defeito, para as habitações e de acordo com o REH, considera-se um valor típico

de ganhos internos de 4 W.m-2; e

equipamento de climatização, referente à estação de aquecimento e de arrefecimento.

33

3.3.2 Outputs da Ferramenta

Os resultados obtidos pela ferramenta são apresentados em termos energéticos (necessidades de

climatização e temperatura média interior), em termos económicos, acústicos e ambientais.

Resumidamente, a aplicação informática do método Simplificado fornece os seguintes outputs:

variação de resultados entre o caso inicial e o caso reabilitado para as estações de

aquecimento e arrefecimento (poupança energética, diferença de necessidades energéticas e

diferença de temperatura média interior);

representação gráfica dos termos prejudiciais para os resultados finais, isto é, das perdas na

estação de aquecimento e dos ganhos na estação de arrefecimento, para cada caso

considerado ou ainda para a diferença entre os mesmos:

o perdas no aquecimento segundo a envolvente opaca, janelas e renovação do ar; e

o ganhos no arrefecimento segundo a envolvente opaca, janelas e ganhos internos;

resultados económicos, nomeadamente, poupança monetária no 1º ano, período de retorno

económico e VAL (Valor Actual Líquido para um estudo a longo prazo, de 35 anos);

resultados acústicos, ou seja, isolamento sonoro da fachada a sons aéreos para o caso base

e para o caso reabilitado; e

resultados ambientais, nomeadamente, impacto na quantidade de CO2 libertada para o

ambiente (devida à reabilitação, à reciclagem e à poupança energética) para o 1º ano e para

um estudo a 30 anos após a reabilitação.

3.3.3 Considerações e Equações Utilizadas

Necessidades Energéticas

As equações utilizadas para o cálculo das necessidades energéticas dizem respeito às equações (2.5)

e (2.6) apresentadas na secção 2.4. A metodologia de cálculo seguida para determinar os termos das

necessidades energéticas diz respeito a uma metodologia idêntica à seguida pelo método REH. Com

isto em mente apenas são mencionadas as diferenças e simplificações tidas em conta no método

Simplificado.

Para o método Simplificado, foi considerada uma inércia térmica forte da envolvente, dado que a

maioria dos apartamentos em Portugal inclui elementos construtivos, tais como: pavimento e cobertura

de betão armado ou pré-esforçado, paredes interiores de alvenaria e revestimento de cobertura,

paredes interiores e paredes exteriores em estuque ou em reboco [36]. Foi também considerada a

simplificação das pontes térmicas planas, em que se majorou o valor de U da envolvente opaca em

35% [36]. A existência de pavimento em contacto com o exterior ou com o solo foi desprezada, uma

vez que, nos apartamentos em Portugal, o pavimento encontra-se maioritariamente em contacto com

fracções adjacentes. A influência da troca de calor nas paredes em contacto com edifícios adjacentes

não foi tida em conta, uma vez que se considera que estes edifícios adjacentes são habitados e, por

consequência as temperaturas são semelhantes, não existindo trocas de calor entre as habitações.

O cálculo da renovação do ar da habitação é realizado automaticamente pela ferramenta informática

34

após a introdução dos dados de entrada das janelas, individualmente para o caso base e para o caso

reabilitado. Este cálculo tem por base a folha Excel fornecida pelo LNEC, de ventilação REH e RECS.

A folha de cálculo foi modificada ligeiramente de forma a reduzir o número de inputs necessários como,

por exemplo, o número de paredes em contacto com o exterior e a introdução da classe de

permeabilidade dos vãos envidraçados. Adicionalmente, retirou-se a apresentação do resultado da

permeabilidade da envolvente (que é apresentada nos resultados finais detalhados) e os estudos

complementares na avaliação do funcionamento de ventilação (REH), dado que não se incluem nos

objectivos deste trabalho.

Para a estação de arrefecimento considerou-se que a protecção solar apresenta-se activa para 70%

da sua área. O coeficiente de Uwdn das janelas foi considerado variável em função da estação climática,

ou seja, para o aquecimento considerou-se um coeficiente relativo ao caixilho e vidro, enquanto que

para o arrefecimento foi considerado um coeficiente inferior, devido à resistência adicional da protecção

solar (caso exista) na condução de calor. Relativamente ao factor de obstrução dos vãos envidraçados

(Fs), foi considerada a simplificação mencionada na nota técnica NT-SCE-01 [36]. O termo da radiação

solar pode ser estimado de duas formas. A primeira considera a radiação média de todas as

orientações, sendo apenas necessário definir a área total dos vãos envidraçados, ao passo que a

segunda requer a descrição detalhada das áreas dos vãos envidraçados e do comprimento da fachada

para cada orientação. Neste segundo modo, as orientações são definidas em dois conjuntos, um que

inclui as orientações norte, sul, este e oeste e outro conjunto que inclui as orientações nordeste,

sudeste, sudoeste e noroeste.

Temperaturas Médias Interiores

As temperaturas médias interiores foram obtidas a partir da equação (3.4), para as estações de

aquecimento e de arrefecimento, tendo em conta a temperatura média exterior da respectiva estação

e a diferença entre os ganhos e perdas térmicas, com:

𝑇𝑚𝑖, 𝑖 = 𝑇𝑚𝑒,𝑖 +𝑄𝑔𝑢,𝑖

(𝐻𝑡𝑟+𝐻𝑣𝑒)𝑖×𝑑𝑖 (3.4)

i – estação de aquecimento ou estação de arrefecimento;

Tmi,i – temperatura média interior da estação i (°C);

Tme,i – temperatura média exterior da estação i (°C);

Qgu,i – ganhos térmicos brutos na estação i (kWh);

Htr,i – coeficiente global de transferência de calor por transmissão na estação i (W.°C-1);

Hve,i - coeficiente global de transferência de calor por ventilação na estação i (W.°C-1); e

d – duração da estação i (h);

3.3.4 Análise Económica

A análise económica incluída no método Simplificado tem por base a poupança monetária gerada pela

redução no consumo de energia de climatização. Esta poupança é determinada em função da redução

na quantidade de energia final consumida anualmente (kWh.ano-1), do rendimento do sistema de

climatização (aquecimento e arrefecimento) e do preço actual da energia utilizada. A redução no

35

consumo de energia de climatização é obtida directamente pela soma das diferenças entre as

necessidades energéticas em função da área útil de pavimento. Nesta análise, assume-se que o

utilizador possui o equipamento de climatização em funcionamento sempre que as condições interiores

divirjam das condições de conforto para a respectiva estação (ver secção 2.4).

Período de Retorno (PR)

Geralmente, obtém-se o período de retorno (ou período de recuperação) de um projecto calculando o

número de anos que decorrerão até que a soma dos fluxos de tesouraria igualem o montante do

investimento inicial associado, neste caso, à reabilitação dos vãos envidraçados. De igual modo, este

período pode ser determinado através do quociente entre o custo de investimento inicial e o custo de

exploração (equação (3.5)) que representa a poupança associada à redução energética nas

necessidades de climatização, em que:

𝑃𝑅 =𝐶𝐼𝑛𝑣

𝐶𝑒𝑥𝑝 (3.5)

PR – período de retorno (anos);

Cinv – custo de investimento total devido à reabilitação e à manutenção dos novos vãos

envidraçados (€);

Cexp – custo de exploração médio para um estudo a 35 anos (ver equação (3.6)) (€);

𝐶𝑒𝑥𝑝 = ∑ (𝐶𝐸×𝐸

𝜂×35)

𝑖 (3.6)

i – estação de aquecimento ou estação de arrefecimento.

CE – custo médio de exploração para 35 anos, em função do tipo de energia utilizada pelo

sistema de climatização na estação i (€.kWh-1);

E – quantidade de redução energética na estação i (kWh); e

η – rendimento do sistema de climatização utilizado na estação i.

Para a determinação do custo de exploração foram considerados cenários de custo de energia

crescentes. Os valores considerados para cada tipo de energia dizem respeito às previsões fornecidas

pela Comissão Europeia [38], que estimam um aumento anual no custo da energia de 2.8% para o gás,

de 2.8% para o petróleo e de 2.0% para o carvão. Em relação ao custo de electricidade para o sector

residencial, este é caracterizado por um aumento a cada 5 anos, apresentando os valores de 0.164,

0.180, 0.191 e 0.192 €.kWh-1 para os anos de 2015, 2020, 2025 e 2030, respectivamente. Após o ano

de 2030 os valores são extrapolados até novas previsões.

O custo de investimento, por sua vez, foi obtido através da soma dos vários custos associados ao

processo de reabilitação dos envidraçados, isto é: o custo de remoção das janelas antigas, o custo das

novas janelas e dos estores, se for o caso, do transporte e montagem dos envidraçados e ainda do

custo de manutenção decenal das janelas. Este custo de manutenção considera que, a cada dez anos,

é necessário proceder a uma manutenção das janelas, tipicamente caracterizada pela substituição dos

vedantes, dos rolamentos e das ferragens para o caso de janelas de alumínio e PVC (policloreto de

vinila). Especificamente para o caso das janelas de madeira, considera-se como manutenção a

36

reparação do revestimento superficial de velatura ou pintura, com uma periocidade de cerca de 5 anos.

Adicionalmente, foi considerado o fim de ciclo de vida das janelas antigas retiradas da habitação. Tendo

em conta que alguns dos materiais destas janelas ainda possuem um valor residual, este valor foi tido

em conta e desta forma subtraído ao valor final do investimento associado à reabilitação de vãos

envidraçados. O alumínio, por exemplo, possui um valor residual, sendo assim enviado para a

reciclagem, enquanto a madeira é considerada biomassa para a produção de energia. Os restantes

materiais, como o vidro ou até mesmo o PVC, ainda que possuam algum valor residual, este é

consideravelmente baixo, pelo que estes materiais são considerados para reciclagem a custo zero pelo

fabricante de janelas (prática recorrente pelos fabricantes actuais).

Todos os custos mencionados anteriormente para a reabilitação de vãos envidraçados foram cedidos

pela empresa de caixilharia Hermínio & Manuel Reis Lda., relativamente aos vãos de alumínio e PVC.

Estes custos foram ainda comparados com um estudo do LNEC [12], sobre custos óptimos de

reabilitação em Portugal, corroborando que os custos dos envidraçados são relativamente idênticos,

com uma diferença entre 6 a 17%. Adicionalmente, quando comparados com trabalhos anteriores

como, por exemplo, a dissertação de Rebelo [33] (preços de vãos envidraçados e manutenção) e a de

Faustino [39] (preço de vidros), os custos revelaram-se semelhantes.

Valor Actual Líquido (VAL) da Energia

Um dos métodos utilizados para avaliar a viabilidade do investimento associado à reabilitação foi o

Valor Actual Líquido, que se caracteriza pela transferência, para o instante presente, de todos os

valores do custo de exploração do projecto. O critério do VAL pressupõe que 1 € disponível hoje vale

mais do que 1 € disponível amanhã, porque pode ser aplicado hoje e começar imediatamente a render

juros. O VAL foi obtido através da expressão indicada pela equação (3.7), contabilizando o investimento

inicial do projecto da reabilitação e a actualização dos custos de exploração ao longo de n anos, tendo

sido considerado um período de 35 anos, para o presente estudo. O termo r na equação representa a

taxa de rentabilidade de projecto, considerada como 2%.

𝑉𝐴𝐿 = − 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + ∑(𝐶𝑒𝑥𝑝)

𝑖

(1 + 𝑟)𝑖

𝑛

𝑖=1

(3.7)

3.3.5 Análise Acústica

Para a análise acústica optou-se por avaliar o isolamento sonoro da fachada a sons aéreos,

padronizado, para o qual se utiliza o termo D2m,nT,w para quantificar este isolamento, expresso em

decibéis (dB). A análise é feita para o compartimento mais desfavorável da habitação, ou seja, para

aquele que possui uma maior exposição à fonte de ruído predominante, através do isolamento global

da fachada (paredes, janelas e aberturas de admissão). O termo em questão é determinado através

das equações (3.8) e (3.9), em que:

𝐷2𝑚,𝑛𝑇,𝑤 = 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝐿2 + 10 𝐿𝑜𝑔 (𝑉

6𝑆𝑠𝑇0) (3.8)

Rtotal – índice de redução sonora total da fachada, integrando todos os elementos da fachada

37

(dB);

L2 – nível médio de pressão sonora medido no local de recepção;

V – volume do compartimento receptor (m3);

Ss – área da fachada exterior s, do compartimento receptor (m2); e

T0 – tempo de reverberação de referência (s).

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 10 𝐿𝑜𝑔 (∑ 𝑆𝑖𝑖

∑ 𝑆𝑖10(

−𝑅𝑤,𝑖10

)𝑖

) (3.9)

i – elemento construtivo da fachada (grelhas, vãos envidraçados, ligação aro/vão e paredes);

Si – área do elemento i da fachada (m2); e

Rw,i – índice de isolamento sonoro do elemento i (dB).

Uma vez que se considera o cenário mais desfavorável possível, foi necessário adicionar ao índice

D2m,nT,w um termo de adaptação apropriado, denominado C ou Ctr. Estes termos de adaptação têm

como objectivo corrigir o índice de isolamento sonoro (Rw) dos elementos de construção da fachada,

pelo que no método Simplificado estes são determinados em função do tipo de ruído predominante,

indicado pelo utilizador de entre várias opções. Segundo Domingues [24], a curva característica

(Rw(C;Ctr)) é o parâmetro que melhor caracteriza o isolamento sono das janelas. Para os elementos de

construção (i.e. paredes) e para as grelhas de admissão de ar, os valores de redução sonora R foram

retirados de [32].

O método Simplificado apresenta os resultados acústicos em função do termo D2m,nT,w padronizado,

para a fachada da zona mais desfavorável ao ruído, tanto para o caso base como para o caso

reabilitado dos vãos envidraçados. Desta forma, facilmente se compara a melhoria do isolamento

sonoro aos sons aéreos derivada da reabilitação. Adicionalmente, deve ainda ter-se em consideração

que o valor de isolamento sonoro mínimo da fachada mais exposta ao exterior, para habitações (zona

sensível) é estipulado em D2m,nT,w ≥ 28 dB [23].

Em algumas habitações, existem grelhas de admissão de ar na fachada ou nas janelas, as quais

possuem um impacto bastante negativo na redução de isolamento sonoro quando abertas ou caso não

possuam qualquer atenuação de ruído. De maneira a ilustrar este efeito, para os casos em que existam

grelhas de admissão, o método Simplificado apresenta não só os valores de D2m,nT,w para o caso em

que as grelhas se encontram abertas, mas também quando estas estão fechadas.

3.3.6 Análise Ambiental

A Análise do Ciclo de Vida (ACV) é uma metodologia analítica cujo objectivo passa por avaliar e

quantificar os recursos e os impactos ambientais associados a um produto manufacturado, ao longo de

todo o seu ciclo de vida [40], desde a extracção de matérias-primas até à deposição final do produto

na natureza, no qual são identificados e quantificados os recursos consumidos e a poluição gerada

[19]. Nesta secção, pretendeu-se avaliar o impacto ambiental derivado da reabilitação das janelas em

termos da quantidade de poluentes que desta advêm.

38

Tendo em conta que o desenvolvimento de uma ACV se afasta do âmbito principal desta dissertação,

foram considerados os impactos ambientais apresentados num outro trabalho, a dissertação de

doutoramento de Pinto [19]. Estes impactos dizem respeito apenas aos valores de CO2 resultantes dos

elementos construtivos que sofrem a reabilitação, ou seja, das janelas.

Fases do Ciclo de Vida

Para a análise ambiental são consideradas as várias fases do ciclo de vida para as janelas do caso

base (caso não reabilitado) e para as janelas do caso reabilitado. Em relação às janelas do caso

reabilitado, considerou-se uma fase cradle-to-gate (“do berço à porta”), enquanto que para o caso base

se considerou apenas a fase de fim de vida. Em suma, avaliou-se o impacto ambiental em termos de

CO2 das novas janelas instaladas na habitação, tal como o impacto associado ao fim de vida das janelas

antigas.

Fase de Reabilitação dos Envidraçados

Em relação às novas janelas na habitação em estudo, a quantidade de CO2 gerado em função da área

das janelas consideradas é apresentada na Tabela 3.14 (de notar que o termo low-e diz respeito a

vidros baixo emissivos). De destacar que, para os perfis de caixilharia, foram tidos em conta os

desperdícios de material ao longo da sua produção e que, em relação aos vidros, foi considerada uma

taxa de reciclagem de 50%. Adicionalmente, foi incluída uma distância média de transporte rodoviário

dos materiais de 100 km [19]. Desde a fábrica de produção das janelas até ao local de montagem dos

vãos envidraçados, considerou-se uma distância média de transporte rodoviário idêntica de 100 km.

Tabela 3.14– Avaliação do impacto ambiental de janelas para 50 anos. Dados retirados de Pinto [19].

Perfil Vidro kgCO2.m-2

Madeira Simples (5mm) 22.3

Madeira Duplo (6+16+4 mm) 58.1

Madeira Duplo low-e (6+16+4 mm) 59.3

Alumínio Simples (5mm) 135.0

Alumínio corte-térmico Duplo (6+16+4 mm) 217.0

Alumínio corte-térmico Duplo low-e (6+16+4 mm) 218.0

PVC Duplo (6+16+4 mm) 127.0

PVC Duplo low-e (6+16+4 mm) 128.0

Fase de Reciclagem dos Envidraçados

Para o caso das janelas antigas, é necessário distinguir os diversos fins de vida consoante cada tipo

de material. Em relação aos perfis de madeira, considera-se a incineração dos mesmos para produção

de energia. Por sua vez, os perfis de alumínio são tidos em conta com uma taxa de reciclagem de 100%

39

do material de alumínio, enquanto que qualquer outro material restante é enviado para aterro (um

exemplo disso é a poliamida, que compõe o corte térmico, as ferragens e os vedantes). Para o vidro,

como já referido, 50% desse material é reciclado e o restante enviado para aterro.

Considerando um cenário de procura crescente do alumínio, é plausível considerar que a reciclagem

do alumínio de primeira fusão das janelas antigas substitui o processo de extrusão da bauxita (mineral

da extracção de alumínio). Desta forma, apesar de ser verdade que a reabilitação dos vãos induz

sempre a um aumento na quantidade de CO2 libertada para o ambiente, uma vez que se produzem

janelas novas, a reciclagem dos perfis antigos de alumínio permite reduzir o impacto ambiental

associado à produção de novos perfis. Com esta ideia em mente, considera-se que, caso o perfil das

janelas antigas seja de alumínio, este é reciclado e fornece uma redução na quantidade de CO2

correspondente à reabilitação dos envidraçados. Esta quantidade foi considerada como sendo a

diferença da quantidade de CO2 entre perfis de alumínio não reciclado e perfis de alumínio reciclado

de primeira fusão, a que corresponde um valor aproximado de 100 kgCO2.m-2. Da mesma forma, para

a reciclagem foi tida em conta uma distância média de transporte rodoviário de 100 km desde o local

da habitação até ao local da reciclagem [19].

Resultados Relativos à Análise Ambiental

Os resultados ambientais são apresentados no método Simplificado em kg de CO2, para a fase de

reabilitação, para a fase de novos envidraçados e ainda associados à poupança energética da

reabilitação. A poupança energética reflecte uma redução na energia consumida pela habitação, o que,

por sua vez, resulta numa redução na geração anual de CO2. De forma a determinar a quantidade de

CO2 associada à produção de cada tipo de energia utilizada pelos sistemas de climatização, foram

utilizados os factores de conversão em kgCO2.kWh-1 indicados no REH [15]. Finalmente, nos

resultados, é apresentada a quantidade de CO2 total associada à reabilitação dos envidraçados, tanto

para o ano inicial em que a reabilitação é efectuada, como para um estudo a médio-longo prazo de 35

anos.

4

4.1 Introdução .............................................................................................................................. 40

4.2 Caso de Estudo 1: Apartamento num Edifício Multifamiliar .................................................. 40

4.3 Caso de Estudo 2: Apartamento num Edifício Multifamiliar com Reabilitação dos Vãos

Envidraçados ..................................................................................................................................... 47

Casos de Estudo

40

4.1 Introdução

Este capítulo tem como objectivo apresentar e caracterizar os dois casos de estudo analisados,

nomeadamente dois apartamentos na zona de Lisboa, sendo que o segundo apartamento foi sujeito a

uma reabilitação dos vãos envidraçados. Inicialmente, apresenta-se a descrição da habitação (planta

e elementos constituintes) em estudo e, de seguida, descrevem-se os ensaios de permeabilidade ao

ar realizados.

Geralmente, a caracterização da envolvente e dos sistemas de ventilação natural de um edifício é feita

por inspecção visual (para o caso das janelas e estores) ou através de valores típicos tabelados (em

termos de perda de carga nas condutas e renovação do ar). Contudo, estas metodologias podem não

fornecer valores rigorosos o suficiente, conduzindo a discrepâncias relevantes em relação ao

comportamento real.

Relativamente aos ensaios de permeabilidade ao ar, dois métodos não destrutivos podem ser

utilizados: o método de ensaio de pressurização e o método dos gases traçadores. Para a presente

dissertação optou-se por utilizar o método de ensaio de pressurização, através de uma porta

ventiladora, uma vez que este é um método fiável, de baixo custo e para o qual existem recomendações

para valores n50 destinados a limitar as infiltrações indesejáveis de ar.

Os ensaios de pressurização, já mencionados, têm o propósito de avaliar e caracterizar os elementos

constituintes do edifício em estudo como por exemplo: a classe das janelas, a classe dos estores e a

perda de carga das condutas de admissão e exaustão. Estes ensaios, efectuados através de ensaios

de pressão e de depressão, não permitem a obtenção directa do valor da taxa de renovação de ar

(Rph) em condições normais, mas sim a permeabilidade ao ar para uma diferença de pressão em

relação à atmosférica de 50 Pa (ensaio denominado de n50). O segundo método mencionado, o método

dos gases traçadores, trata-se de um método que determina directamente o valor da taxa de renovação

de ar, através da avaliação do decaimento da concentração de um gás traçador. Regra geral, este

método é efectuado utilizando CO2 como o gás traçador, pelo que se torna relativamente perigoso se

não forem tomadas as medidas de precaução necessárias.

4.2 Caso de Estudo 1: Apartamento num Edifício Multifamiliar

4.2.1 Descrição da Habitação

A habitação em estudo situa-se na zona de Lisboa, mais propriamente em Alvalade, tendo sido

concluída a sua construção nos anos cinquenta. A habitação situa-se no 1º andar de um edifício

multifamiliar com 16 metros de altura. Esta possui duas faces expostas ao exterior, a face Sul e

parcialmente a face norte, sendo que as restantes faces, o pavimento e a cobertura estão em contacto

com apartamentos vizinhos.

A envolvente exterior é composta por paredes simples de alvenaria de tijolo furado. Na envolvente,

encontram-se instaladas janelas de batente de madeira de vidro simples, de peitoril e de sacada. A

41

vedação da junta dos vidros é efectuada através de massa de vidraceiro e a vedação da junta móvel

das janelas é inexistente. Na maioria das janelas encontra-se aplicada uma persiana de réguas

plásticas com a respectiva tampa interior.

Na Figura 4.1 apresenta-se a planta do apartamento em questão, que possui uma área útil de 58 m2 e

um pé direito de 2.8 m, compreendendo um volume interior de 162.5 m3. Por sua vez na Tabela 4.1,

apresenta-se um resumo das dimensões da fracção habitacional, nomeadamente, área envolvente

exterior total, opaca e envidraçada, volume interior e classe de inércia térmica. Adicionalmente na

Tabela 4.2 tem-se um resumo das dimensões das janelas da habitação.

Tabela 4.1– Dimensões principais do apartamento 1 em estudo.

Classe de Inércia Térmica Forte

Volume Interior (m3) 162.5

Área da Envolvente Exterior (m2) 41.4

Área Opaca da Envolvente Exterior (m2) 25.8

Área Envidraçada (m2) 15.6

Área Envolvente/Área Pavimento 27%

Factor de Forma (m-1) 0.45

Tabela 4.2 - Dimensões das janelas do apartamento 1.

Tipo de Janela Dimensão do Vão

(mxm)

Área Móvel

(m2)

Comprimento de

Junta Móvel (m)

Janela de peitoril, 2 folhas de batente e 1

folha fixa 1.60x1.20 1.92 5.43

Janela de peitoril, 1 folha giratória e 2

folhas fixas 1.25x0.49 0.61 1.64

Janela de sacada, 3 folhas de batente e 2

folhas fixas 3.00x2.10 6.30 11.88

Janela de peitoril, 2 folhas de batente e 1

folha fixa 1.60x1.20 1.92 5.43

Janela de batente, 2 folhas de abrir 1.20x0.84 1.01 5.06

Janela de peitoril, fixa e quadriculada 2.30x1.65 3.80 -

Total - 15.55 29.44

42

Figura 4.1- Planta da habitação 1, localizada na zona de Alvalade, Lisboa.

Na Tabela 4.3 são apresentados os coeficientes de transmissão térmica global U para os diferentes

elementos constituintes da habitação.

Tabela 4.3 – Coeficientes de transmissão térmica global dos diferentes elementos do apartamento 1 em estudo.

Elemento Constituinte U (W.m-2.°C-1)

Parede exterior 2.04

Parede exterior sala 3.40

Parede em contacto com vão de escadas 2.46

Parede com edifício adjacente 2.30

Pavimento e cobertura (ascendente) 2.92

Pavimento e cobertura (descendente) 2.08

Viga e pilar com o exterior 2.96

Porta de entrada 2.00

Viga - caixa de estore - parede 1.79

Viga - caixa de estore 1.56

Banho

1.8 m2

Sala de jantar

3.7 m2

Arrumos

4 m2 Cozinha

6.8 m2 Quarto II

13.8 m2

Hall de entrada

4.3 m2

Quarto I

10 m2 Banho

4.1 m2

Sala de estar

9.5 m2

N

43

4.2.2 Ensaios de Permeabilidade ao Ar

Os ensaios de permeabilidade ao ar foram realizados de acordo com o procedimento experimental de

ensaios de pressurização descrito no Anexo C. Os resultados dos ensaios de permeabilidade ao ar da

envolvente, da conduta de exaustão, das janelas e das caixas de estore são apresentados na presente

subsecção. Estes ensaios foram realizados no dia 5 de Junho, tendo-se verificado uma temperatura do

ar exterior de 26°C e uma temperatura do ar interior de 24°C durante a sua realização.

Para estes ensaios é recomendada a existência de uma velocidade do vento inferior a 3 m.s-1 [29]. No

dia dos ensaios, verificou-se apenas uma brisa ligeira, pelo que, segundo a escala de Beaufort

apresentada na norma [29], a velocidade do vento é considerada aceitável e entre 1.8 e 3.1 m.s-1. De

forma a ter em conta o efeito da acção do vento, a diferença de pressão entre o interior e o exterior da

habitação foi medida no início e no fim de cada ensaio, verificando-se uma diferença de pressão inferior

a 2 Pa, para todos os ensaios. Os resultados aqui apresentados têm em conta as correcções

necessárias face às diferenças de temperatura (variação de densidade) e pressão existentes no

decorrer dos ensaios.

Envolvente

O ensaio da envolvente corresponde à medição da permeabilidade total do apartamento com a

respetiva conduta de exaustão vedada (Figura 4.2).

Figura 4.2 – Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 1.

Com base nos resultados do ensaio, verificou-se que a permeabilidade total da habitação em pressão

é semelhante à permeabilidade em depressão, sendo que esta foi superior até 3% para diferenças de

pressão entre 20 e 60 Pa. Na Tabela 4.4, apresentam-se os parâmetros normalmente adoptados para

apreciar a permeabilidade ao ar da envolvente dos edifícios.

y = 104.682x0.612

R² = 0.998

y = 113.847x0.583

R² = 0.999

10

100

1000

10000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)

Diferença de Pressão (Pa)

Pressão

Depressão

44

Tabela 4.4 - Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 1.

Parâmetro Pressão Depressão Média

C (m3.h-1.Pa-n) 104.7 113.8 -

n 0.61 0.58 -

Caudal para ΔP = 50 Pa (m3.h-1) 1147 1114 1131

n50 (h-1) 7.06 6.85 6.94

Q(ΔP = 50 Pa)/Aenv ext (m3.h-1.m-2) 29.6 28.7 29.2

Conduta de Exaustão

O presente ensaio corresponde à medição da permeabilidade ao ar e desta forma, à estimativa da

perda de carga da conduta de exaustão existente na cozinha, em que a envolvente e a conduta

encontravam-se em condições normais sem qualquer vedante. Os resultados obtidos encontram-se

representados na Figura 4.3.

Figura 4.3 – Resultados do ensaio de pressurização à conduta de exaustão (perda de carga) do apartamento 1.

Subtraindo os resultados apresentados na Figura 4.2 com os da Figura 4.3, foi possível obter uma

estimativa para a perda de carga existente na conduta de exaustão e, dessa forma, obter a constante

da curva característica em condutas de ventilação natural (C) mencionada no REH de 35.5 m3.h-1.Pa-n

[15]. Considerando que a conduta possui uma altura de 12 m, um diâmetro superior a 0.2 m e uma

proporção de área livre e área da conduta superior a 70%, segundo a legislação, esta corresponde a

uma conduta com baixa perda de carga e uma constante da curva característica de 58.7.

A discrepância dos valores obtidos da constante C entre o ensaio e a legislação deve explicar-se dada

a difícil vedação da conduta de exaustão na sua totalidade e devido à obstrução da mesma pelo

acumular de produtos de combustão. Numa situação ideal, os valores de constantes C seriam mais

próximos entre si do que os obtidos.

y = 143.9x0.578

R² = 0.9765

10

100

1000

10000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Pressão

Depressão

Média

45

Janelas

Os ensaios da permeabilidade ao ar das janelas foram realizados separadamente para cada janela, em

que para cada ensaio a respectiva janela se encontrava completamente vedada, sem incluir as ligações

às caixas de estore. Na Figura 4.4 encontram-se as estimativas da permeabilidade ao ar das janelas

através da subtração dos resultados da envolvente (Figura 4.2) com os resultados de cada ensaio

relativo às janelas. De forma a simplificar os resultados apresentados, só são indicados os valores

médios entre os ensaios de pressão e de depressão para cada janela ensaiada. Os resultados foram

normalizados para a unidade de área de cada vão envidraçado. Verificou-se então que a

permeabilidade ao ar em condições de pressão foi superior à permeabilidade em condições de

depressão, entre 6 a 10% para o quarto I e entre 3 a 10% para o quarto II, para as diferenças de pressão

entre 60 e 20 Pa, respectivamente. Tendo em conta que a classificação das janelas é determinada para

uma diferença de pressão de 50 Pa, segundo os resultados obtidos, as janelas dos quartos I e II são

janelas sem classificação.

Figura 4.4 – Estimativa de permeabilidade ao ar das janelas ensaiadas do Caso de Estudo 1. As linhas a tracejado no gráfico indicam os limites máximos para cada classe correspondente (EN 12207, 1999).

Caixas de Estore

Tal como para as condutas e janelas, os ensaios da permeabilidade ao ar das caixas de estore foram

realizados separadamente para cada caixa de estore, completamente vedada. Na Figura 4.5

apresentam-se as estimativas da permeabilidade ao ar das caixas de estore, através da subtração dos

resultados da envolvente (Figura 4.2) com os resultados de cada ensaio, sendo apresentados os

valores médios entre os ensaios de pressão e de depressão. Os valores de caudal encontram-se

normalizados à unidade de comprimento (L) de cada caixa de estore.

0.1

1

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Quarto I

Quarto II

Sem Classificação

Classe 1

Classe 2

Classe 3

Classe 4

46

Figura 4.5 - Estimativa de permeabilidade ao ar das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 1.

Tipicamente, em condições normais, ensaios de permeabilidade a caixas de estore exibem um

comportamento linear com a variação de pressão, uma vez que a área de passagem ao ar se mantém

constante. Contudo, este comportamento não se verificou para os ensaios do quarto II, em que este

apresenta uma variação não linear, podendo se dever ao diferente comportamento das frinchas

existentes nas caixas de estore. Em suma, ensaios de pressão podem conduzir a um aumento de área

de frinchas, enquanto que ensaios de depressão podem levar a uma redução devido a obstruções

interiores.

A classe de permeabilidade de estores é determinada em função do rácio entre o caudal de ar (a uma

diferença de pressão de 100 Pa) e o comprimento da caixa de estore, variando consoante seja inferior

ou superior à unidade. Para valores de rácio inferiores à unidade os estores são considerados classe

baixa e, para valores superiores, como sendo de classe alta. Os resultados obtidos para os estores

ensaiados são apresentados na Tabela 4.5, concluindo-se que se está perante estores com classe

elevada.

Tabela 4.5 – Características das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 1.

Q (ΔP = 50 Pa)

(m3.h-1)

Q (ΔP = 100 Pa)

(m3.h-1)

L (m) Q (ΔP = 100Pa)/L

(m3.h-1.m-1)

Quarto I 30.0 32.4 1.6 20.2

Quarto II 59.7 42.2 1.6 26.4

y = 13,713x0,196

y = 104,370x-0,159

y = 10,318x0,710

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Quarto I

Quarto II

Sala

47

4.3 Caso de Estudo 2: Apartamento num Edifício Multifamiliar com

Reabilitação dos Vãos Envidraçados

4.3.1 Descrição da Habitação

A habitação em estudo situa-se na zona de Lisboa, mais propriamente no bairro da Boa Vista, tendo a

conclusão ocorrido no ano 1976. A habitação situa-se no rés de chão de um edifício multifamiliar com

17 m de altura. Esta possui a face nordeste e a face sudeste exposta ao exterior, sendo que as restantes

faces e a cobertura estão em contacto com apartamentos adjacentes e o pavimento em contacto com

arrecadações. A envolvente exterior é composta por paredes duplas de alvenaria de tijolo furado com

caixa-de-ar. Na envolvente encontram-se instaladas janelas de correr de alumínio com vidro simples.

A vedação da junta móvel é efectuada através de vedantes de pelúcia e a junta dos vidros com vedantes

de borracha. Na maioria das janelas encontra-se aplicada uma persiana de réguas plásticas com a

respectiva caixa de estore e tampa interior.

Na Figura 4.6 apresenta-se a planta do apartamento em questão, que possui uma área útil de 76 m2 e

um pé direito de 2.5 m, compreendendo um volume interior de 190 m3. Por sua vez, na Tabela 4.6

apresenta-se um resumo das dimensões da fracção habitacional, nomeadamente, área envolvente

exterior total, opaca e envidraçada, volume interior e classe de inércia térmica. Adicionalmente na

Tabela 4.7 apresenta-se um resumo das dimensões das janelas pertencentes à habitação.

Tabela 4.6 - Dimensões principais do apartamento 2 em estudo.

Classe de Inércia Térmica Forte

Volume Interior (m3) 190

Área da Envolvente Exterior (m2) 43.9

Área Opaca da Envolvente Exterior (m2) 32.7

Área Envidraçada (m2) 11.2

Área Envolvente/Área Pavimento 15%

Factor de Forma (m-1) 0.5

Tabela 4.7 - Dimensões das janelas do apartamento 2.

Tipo de Janela Dimensão do Vão

(mxm)

Área Móvel

(m2)

Comprimento de

Junta Móvel (m)

Janela de peitoril, 2 folhas de correr 0.88x1.15 1.01 5.11






Total - 11.16 42.72

48

N

Sala

24 m2

Hall de

entrada

4.4 m2

Banho

4.3 m2

Arrumos

2 m2

Quarto I

12 m2

Quarto II

17 m2

Cozinha

6 m2

Lavandaria

3 m2

Arrumos

0.9 m2

Corredor

2.4m2

Figura 4.6 - Planta da habitação 2, localizada no bairro da Boavista, Lisboa.

Na Tabela 4.8 são apresentados os coeficientes de transmissão térmica global U para os diferentes

elementos constituintes da habitação.

Tabela 4.8 – Coeficiente de transmissão térmica global dos diferentes elementos do apartamento 2 em estudo.

Elemento constituinte U (W.m-2.°C-1)

Parede exterior 1.09

Parede exterior de sala 1.69

Parede em contacto com vão de escadas 1.78

Parede com edifício adjacente 2.41

Pavimento e cobertura (ascendente) 3.12

Pavimento e cobertura (descendente) 2.17

Viga com vão de escadas 2.59

Viga de sala com exterior 3.19

Porta de entrada 2.10

49


Os ensaios de permeabilidade ao ar para a habitação em questão incluem os ensaios iniciais da

envolvente e das janelas, para um caso inicial com janelas antigas e para um caso reabilitado com

novas janelas. São também apresentados os ensaios para as condutas de exaustão e admissão e

ainda para as caixas de estore.

4.3.2.1 Caso Inicial

Para a situação inicial, os ensaios de permeabilidade ao ar foram realizados de acordo com o

procedimento experimental de ensaios de pressurização descrito no Anexo C. Estes ensaios foram

realizados no dia 27 de Maio, tendo-se verificado uma temperatura média do ar exterior de 19°C e uma

temperatura média do ar interior de 21°C durante os mesmos.

Para estes ensaios é recomendada a existência de uma velocidade do vento inferior a 3 m.s-1 [29]. No

dia de ensaios, o vento estava calmo, pelo que, segundo a escala de Beaufort apresentada na norma

[29], a velocidade do vento é considerada aceitável e inferior a 0.45 m.s-1. De forma a ter em conta o

efeito da acção do vento, a diferença de pressão entre o interior e o exterior da habitação foi medida

no início e no fim de cada ensaio, verificando-se uma diferença de pressão inferior a 2 Pa, para todos

os ensaios. Os resultados aqui apresentados tiveram em conta as correcções necessárias

relativamente às diferenças de temperatura (variação de densidade) e pressão existentes no decorrer

dos ensaios.

Envolvente

O ensaio da envolvente corresponde à medição da permeabilidade total do apartamento com as

respetivas condutas de admissão e exaustão vedadas (Figura 4.7).

Figura 4.7 - Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 2, caso inicial.

Com base nos resultados do ensaio, verificou-se que a permeabilidade total da habitação em pressão

é semelhante à permeabilidade em depressão, sendo esta superior até 3% para diferenças de pressão

entre 20 e 60 Pa. Na Tabela 4.9 apresentam-se os parâmetros normalmente adoptados para apreciar

a permeabilidade ao ar da envolvente dos edifícios.

y = 20.912x0.750

R² = 0.989

y = 22.198x0.740

R² = 0.994

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Pressão

Depressão

50

Tabela 4.9 – Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 2, caso inicial.

Parâmetro Pressão Depressão Média

C (m3.h-1.Pa-n) 20.9 22.2 -

n 0.75 0.74 -

Caudal para ΔP = 50 Pa (m3.h-1) 393.0 401.0 397.0

n50 (h-1) 2.07 2.11 2.09


Condutas de Admissão e Exaustão

O ensaio às condutas permite estimar a perda de carga das mesmas. Os ensaios foram realizados para

cada conduta separadamente, sendo que a envolvente e a respectiva conduta ensaiada encontravam-

se em condições normais, ou seja, sem qualquer vedante. Os resultados obtidos encontram-se

representados na Figura 4.8.

Figura 4.8 - Resultados médios dos ensaios de pressurização (pressão e depressão) às condutas de admissão e exaustão do apartamento 2, para cada conduta e com respectiva curva característica.

Subtraindo os resultados apresentados na Figura 4.7 aos da Figura 4.8, foi possível efectuar uma

estimativa da perda de carga existente na conduta de exaustão e, dessa forma, obter as constantes da

curva característica em condutas de ventilação natural (C), mencionada no REH [15]. Ainda segundo o

REH, considerando a altura de cada conduta, o seu diâmetro e a proporção de área livre por área da

conduta, determinou-se o valor da constante C tabelado. Os resultados obtidos para as quatro condutas

existentes na habitação são apresentados na Tabela 4.10. Os resultados indicam que a conduta

presente na cozinha corresponde a uma conduta com baixa perda de carga, ao passo que as restantes

condutas apresentam uma perda de carga alta.

y = 74.02x0.593

y = 28.95x0.695

y = 30.08x0.675

y = 33.38x0.657

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Cozinha Exaustão

WC Exaustão

WC Admissão

Arrumos Exaustão

51

Tabela 4.10 - Características das condutas existentes no apartamento 2.

Condutas Q (ΔP = 100Pa) (m3.h-1) C ensaio C tabelado

Cozinha Exaustão 471 47.1 53.4

Banho Admissão 45 4.5 10.6

Banho Exaustão 11 1.1 10.6

Despensa Exaustão 22 2.3 10.6

Janelas

Os ensaios da permeabilidade ao ar das janelas foram realizados separadamente para cada janela, em

que para cada ensaio a respectiva janela encontrava-se completamente vedada, sem incluir as ligações

às caixas de estore. Na Figura 4.9 encontram-se as estimativas da permeabilidade ao ar das janelas

através da subtração dos resultados da envolvente com os resultados de cada ensaio relativo às

janelas. De forma a simplificar, os resultados apresentados só indicam os valores médios entre os

ensaios de pressão e de depressão para cada janela ensaiada. Estes resultados foram normalizados

à unidade de área de cada vão envidraçado. Verificou-se que a permeabilidade ao ar em condições de

pressão foi superior à permeabilidade em condições de depressão, até 2% para o quarto I e até 3%

para a cozinha, para diferenças de pressão entre 20 e 60 Pa, respectivamente. Contudo, o inverso foi

verificado para o quarto II, em que a permeabilidade em condições de pressão foram inferiores entre 2

a 12% para diferenças de pressão entre 20 e 60 Pa, respectivamente.

Figura 4.9 – Estimativa de permeabilidade ao ar das janelas ensaiadas do apartamento 2. As linhas a tracejado no gráfico indicam os limites máximos para cada classe correspondente (EN 12207, 1999).

Considerando novamente que a classificação das janelas é determinada para uma diferença de

pressão de 50 Pa, os resultados obtidos indicaram que as janelas da habitação são janelas sem

classificação, com excepção da janela da cozinha. Para esta janela, verificou-se um comportamento

pouco normal a baixos valores de diferença de pressão, o que indica que se trata de uma janela de

classe 1. Dado que se trata de um caso único e, tal como os restantes ensaios, sujeito a incertezas nos

ensaios, para a habitação em questão todas as janelas foram consideradas sem classificação.

0.1

1

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Quarto I

Quarto II

Cozinha

Sem Classificação

Classe 1

Classe 2

Classe 3

Classe 4

52

Caixas de Estore

Tal como para as condutas e janelas, os ensaios da permeabilidade ao ar das caixas de estore foram

realizados separadamente para cada caixa de estore completamente vedada. Na Figura 4.10

apresentam-se as estimativas da permeabilidade ao ar das caixas de estore, através da subtração dos

resultados da envolvente (Figura 4.7) com os resultados de cada ensaio, sendo apresentados os

valores médios entre os ensaios de pressão e depressão. Os valores de caudal encontram-se

normalizados à unidade de comprimento (L) de cada caixa de estore.

Figura 4.10 - Estimativa de permeabilidade ao ar das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 2.

Em condições normais, ensaios de permeabilidade a caixas de estore exibem um comportamento linear

com a variação de pressão, uma vez que a área de passagem ao ar se mantém constante. Contudo,

isto não se verificou para os ensaios do quarto II e da cozinha, que apresentaram uma variação não

linear. Este facto, tal como referido no caso de estudo anterior, pode dever-se ao comportamento das

frinchas presentes nas caixas de estore. Facilmente também se identificaram dificuldades em obter

resultados a baixas diferenças de pressão, pelo que os resultados obtidos a diferenças de pressão

inferiores a 30 Pa, para o caso da cozinha, foram desprezados.

Os resultados obtidos para os estores ensaiados (ver Tabela 4.11) permitiram concluir que se está

perante estores de classe de permeabilidade alta.

Tabela 4.11 – Características das caixas de estore das janelas ensaiadas do apartamento 2.

Q (ΔP = 50 Pa)

(m3.h-1)

Q (ΔP = 100 Pa)

(m3.h-1)

L (m) Q (ΔP = 100Pa)/L

(m3.h-1.m-1)

Quarto I 13.3 37.3 1.14 32.7

Quarto II 21.2 53.9 1.45 37.2

Cozinha 17.9 61.8 1.43 43.2

0.1

1

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Quarto I

Quarto II

Cozinha

53

4.3.2.2 Caso Reabilitado

Envolvente

O ensaio da envolvente corresponde à medição da permeabilidade total do apartamento com as novas

janelas instaladas, nomeadamente, janelas de batente de PVC com vidro duplo e grelhas de admissão

de ar manualmente reguladas. Os resultados obtidos encontram-se na Figura 4.11, com as condutas

de admissão e exaustão da habitação totalmente vedadas.

Figura 4.11 - Resultados do ensaio de pressurização à envolvente do apartamento 2 para o caso reabilitado.

Com base nos resultados do ensaio verifica-se que a permeabilidade total da habitação em pressão é

superior à permeabilidade medida em depressão, em cerca de 6 a 10% para as diferenças de pressão

entre 20 e 60 Pa. Na Tabela 4.12 apresentam-se os parâmetros normalmente adoptados para apreciar

a permeabilidade ao ar da envolvente dos edifícios.

Tabela 4.12 – Parâmetros de caracterização da permeabilidade ao ar da envolvente do apartamento 2 para o caso reabilitado.

Pressão Depressão Média

C (m3.h-1.Pa-n) 8.2 10.6 -

n 0.79 0.74 -

Caudal para ΔP = 50 Pa (m3.h-1) 178.2 191.1 183.5

n50 (h-1) 0.94 1.01 0.96


Janelas

Os ensaios da permeabilidade ao ar das janelas foram realizados separadamente para cada janela

ensaiada. Para cada ensaio, a respectiva janela estava completamente vedada, sem incluir as ligações

às caixas de estore. Através da subtração dos resultados da envolvente (Figura 4.11) com os resultados

de cada ensaio, verificou-se que a permeabilidade ao ar das janelas em condições de depressão foi

y = 8,201x0,787

R² = 0,997

y = 10.567x0.740

R² = 0.997

10

100

1000

10 100

Cau

dal

(m3.h

-1)


Pressão

Depressão

54

superior à permeabilidade em condições de pressão até 30%, para diferenças de pressão entre 20 e

60 Pa. Os resultados obtidos para estes ensaios não apresentaram qualquer significado físico para

diferenças de pressão diferentes de 50 Pa, pelo que, para este apartamento reabilitado, os resultados

indicaram que se está perante janelas de classe 4. É de notar a elevada dificuldade em obter resultados

para janelas de classe 4, uma vez que a esta classe correspondem valores de caudal reduzidos

(próximos do limite de capacidade de medição), além da existência de incertezas devidas ao

equipamento e software dos ensaios, ao vento e à temperatura. Para melhor compreender a razão

desta dificuldade, considere-se um caso simples de uma janela. O caudal de ar (qv em m3.h-1) que

atravessa essa janela é dado pela Equação (4.1), retirada de [15], em que:

𝑞𝑣 = 𝑊. (∆𝑃 100⁄ )0.67. 𝐴𝑣ã𝑜

(4.1)

W – coeficiente com valor 100, 50, 27, 9 ou 3 para janelas e portas sem classificação, classe

1, classe 2, classe 3 e classe 4, respectivamente;

ΔP – diferença de pressão (Pa); e

Avão – área total do vão (m2).

Considerando uma janela com uma área total de vão de 1 m2 e uma classificação de classe 4, ao qual

corresponde um valor de coeficiente W de 3, para diferenças de pressão de 10 e 60 Pa, obtém-se um

caudal de 0.64 e 2.13 m3.h-1, respectivamente. Comparando estes caudais com os caudais obtidos para

a envolvente existente no presente caso de estudo, foi possível observar que o caudal de ar desta

janela padrão representava apenas cerca de 1% dos caudais da envolvente. Este valor permite assim

explicar a dificuldade em obter resultados em ensaios de pressurização a baixas diferenças de pressão,

para janelas de classificação alta.

Grelhas de Admissão de Ar nas Janelas

Para este caso de estudo, na pós-reabilitação as janelas instaladas possuíam grelhas de admissão de

ar reguláveis manualmente. Uma vez que estas grelhas não são auto-reguláveis, não foram

considerados ensaios de permeabilidade ao ar das mesmas. Tendo em conta que na habitação existem

quatro janelas com estas grelhas de admissão de ar, foi considerada uma área livre total de abertura

de quatro grelhas de 200 cm2.

Deve ter-se em mente que o uso correcto das grelhas pode conduzir a benefícios para o utilizador, uma

vez que estas apresentam um impacto considerável no valor de renovação do ar da habitação e

permitem o controlo do mesmo. As grelhas podem ser utilizadas de forma a reduzir a taxa de renovação

do ar na estação de aquecimento (pressupondo a garantia da taxa mínima de renovação do ar de

0.4 h-1) caso se encontrem fechadas. Para a estação de arrefecimento, é pretendido que estas

promovam o aumento a taxa de renovação do ar nas horas de menores temperaturas exteriores,

através da abertura das mesmas.

5

5.1 Ensaios Experimentais .......................................................................................................... 55

5.2 Avaliação do EnergyPlus ....................................................................................................... 59

5.3 Resultados Finais .................................................................................................................. 61

Resultados

e Discussão

55

5.1 Ensaios Experimentais

Para a presente dissertação, tinha-se também como objectivo avaliar experimentalmente o impacto da

reabilitação dos vãos envidraçados num caso real, de forma a ser possível credibilizar alguns dos

pressupostos das análises das intervenções de reabilitação. Para esta avaliação optou-se por estudar

as alterações na permeabilidade ao ar da envolvente através de ensaios de pressurização e as

alterações nas condições de conforto através da medição das temperaturas interiores e exteriores. O

caso considerado diz respeito ao apartamento do Caso de Estudo 2, em que se verificou a reabilitação

dos vãos envidraçados então existentes.


Na secção 4.3.2, foram apresentados os resultados experimentais obtidos para os ensaios de

pressurização, que por sua vez permitiram determinar a permeabilidade ao ar da envolvente do

apartamento em estudo, para uma diferença de pressão de 50 Pa (n50). Na Tabela 5.1, é novamente

apresentado o valor do ensaio experimental n50 (situação I), para os casos antes e após a reabilitação

das janelas. Identicamente para estes dois casos, é possível determinar o valor n50 da envolvente para

o método REH (situação II), através da ferramenta de cálculo do LNEC [28].

De forma a apreciar as trocas de calor devidas à renovação do ar, é necessário determinar a taxa de

renovação do ar da envolvente (Rph). Como mencionado na secção 4.1, os ensaios de pressurização

não permitem a obtenção directa do valor Rph, mas sim o valor n50 da envolvente, a partir do qual é

possível calcular o valor Rph da situação I experimental e estimar o valor Rph da situação II, por recurso

à ferramenta de cálculo do LNEC [28]. Como também aí referido, os ensaios dos gases traçadores, não

realizados durante este trabalho, são uma forma de obter directamente o valor Rph.

Tabela 5.1 - Resultados n50 e renovação do ar (Rph) para o Caso de Estudo 2, pré e pós-reabilitação, para os ensaios experimentais e estimativas pelo REH.

Pré

Reabilitação

Pós

Reabilitação

Variação

(h-1)

Variação

(%)

n50

(h-1)

I - Medido experimentalmente 2.09 0.96 - 1.13 54

II - Estimado para REH 6.60 3.02 - 3.58 54

Rph

(h-1)

I - Estimado para REH 0.69 0.46 - 0.23 33

II - Estimado para REH 1.16 0.92 - 0.24 21

Analisando os resultados obtidos, verificou-se uma diferença elevada nos valores absolutos de n50

entre as situações de pré e pós-reabilitação, mas ainda assim a variação dos mostrou-se semelhante,

indicando uma redução de 54%.

Para uma melhor apreciação dos resultados, os valores a reter dizem respeito à taxa de renovação do

ar da envolvente (Rph), os quais indicaram que quando se têm por base ensaios experimentais os

valores são relativamente inferiores comparando com os valores estimados (redução de 59% na

situação de pré-reabilitação e de 50% na pós-reabilitação). Tendo por objectivo avaliar o impacto da

56

reabilitação dos envidraçados, é essencial analisar a diferença entre o valor de Rph. Os valores de

variação (em h-1) para ambas as situações (I e II) são praticamente idênticos, pelo que se pode concluir

que a ferramenta de cálculo do LNEC [28] apresenta uma boa aproximação para a estimativa da taxa

de renovação de ar da envolvente. Em suma, para o caso de estudo considerado, verificou-se uma

redução da taxa de renovação de ar em 33%, o que, em termos das necessidades de aquecimento,

representou uma redução notável de 4.66 kWh.m-2.ano-1 (ou seja, cerca de 10% de Nic). Ainda assim,

trabalhos futuros devem considerar a validação desta ferramenta de cálculo através dos ensaios de

gases traçadores, para a determinação directa do valor Rph.

5.1.2 Perfís de Temperaturas Experimentais

Estas amostras experimentais referem-se a perfis de temperatura recolhidos na habitação, os quais

correspondem a dois conjuntos de amostras, sendo um conjunto relativo à situação de pré-reabilitação

dos vãos do apartamento (ao qual se designa por Caso A, daqui em diante) e outro conjunto relativo à

pós-reabilitação (designado Caso B). A recolha de dados foi efectuada através de registadores de

dados (HOBO U10 Temp/RH Logger), que apresentam uma incerteza de ±0.5°C segundo o fabricante

[41], e uma incerteza de ±0.3°C, de acordo o um exercício prático apresentado no Anexo D. Tendo por

base o cenário mais conservador, considerou-se a incerteza indicada pelo fabricante. Para os ensaios

de temperatura foram utilizados sete sensores no total. Três desses sensores foram colocados em

diferentes pontos no interior da habitação, tendo sido os restantes quatro distribuidos pelas zonas:

exterior, vão de escadas, andar de cima e andar de baixo.

A primeira amostra, referente ao Caso A, foi obtida num período de 13 dias completos no mês de Maio

(ver Figura 5.1). A curta duração deste período amostral deveu-se à existência das obras de reabilitação

dos vãos envidraçados, realizada por uma empresa especializada, após o último dia experimental. A

segunda amostra, referente ao Caso B, foi obtida durante um período de 32 dias completos nos meses

de Junho e Julho, sendo os dados recolhidos apresentados na Figura 5.2. Os valores de temperatura

foram recolhidos com um intervalo de tempo de 10 minutos entre eles. Durante o tempo de

amostragem, os estores exteriores estiveram permanentemente activos e dado que se trata de uma

fracção não habitada, não existiam quaisquer ganhos internos.

57

Figura 5.1 – Perfil de temperaturas para o Caso A, amostra de 13 dias.

Figura 5.2 - Perfil de temperaturas para o Caso B, amostra de 32 dias.

De forma a estudar a influência da reabilitação dos vãos envidraçados, a metodologia seguida consistiu

na comparação entre as diferenças de temperaturas diárias pré e pós-reabilitação dos envidraçados,

para casos de condições atmosféricas exteriores idênticas. Os perfis de temperaturas numa base diária

são apresentados pelas Figura 5.3 e Figura 5.4.

12

14

16

18

20

22

24

26

28

16/mai 17/mai 19/mai 20/mai 22/mai 23/mai 25/mai 26/mai 28/mai

Tem

pera

tura

(ºC

)

Data (dia-mês)

Exterior Vão de escadas Andar de baixo Andar de cima Interior

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

5/jun 8/jun 12/jun 15/jun 19/jun 22/jun 26/jun 29/jun 3/jul 6/jul

Tem

pera

tura

(ºC

)

Data (dia-mês)


58

Figura 5.3 – Perfil de temperaturas diário para o Caso A, amostra de 13 dias.

Figura 5.4 – Perfil de temperaturas diário para o Caso B, amostra de 13 dias.

As figuras anteriores dizem respeito ao período amostral mais semelhante entre os casos de pré e pós-

reabilitação, para um período igual de 13 dias. De forma a poder realizar uma comparação directa

entre as temperaturas diárias registadas, é essencial que se verifiquem condições atmosféricas

exteriores semelhantes. Para este conjunto amostral, não se observaram variações relevantes com

temperaturas exteriores idênticas, o que evidencia a grande problemática deste tipo de análise, que

requer a existência de condições atmosféricas semelhantes para diferentes alturas do ano.

Para o período amostral completo dos casos A e B, idenfificaram-se apenas dois pares de dias em que

ambos os casos verificaram condições exteriores e interiores semelhantes, como apresentado na

Tabela 5.2, para as amostas i e ii. Para cada uma destas amostras, tem-se o primeiro dia na situação

de pré-reabilitação dos envidraçados, ao passo que o segundo dia apresentado corresponde à situação

pós-reabilitação.

14

16

18

20

22

24

26

16/mai 18/mai 20/mai 22/mai 24/mai 26/mai 28/mai

Tem

pera

tura

(ºC

)

Data (dia-mês)


14

16

18

20

22

24

26

20/jun 22/jun 24/jun 26/jun 28/jun 30/jun 2/jul

Tem

pera

tura

(ºC

)

Data (dia-mês)


59

Tabela 5.2 – Temperatura exterior e interior para dois pares de dias com condições atmosféricas idênticas.

Amostra Data T exterior (ºC) T interior (ºC) ΔT (ºC)

i 17/Maio 23.61 22.25 1.36

3/Julho 23.47 21.62 1.84

ii 18/Maio 21.24 21.87 0.64

22/Junho 21.06 21.75 0.69

Para cada amostra, as diferenças de temperatura (T exterior subtraída da T interior) entre pré e pós-

reabilitação revelaram um ligeiro aumento, com 0.48 ºC e 0.05 ºC para a amostra i e ii, respectivamente.

Ainda assim, há que ter em conta que as temperaturas exteriores apresentam gradientes diferentes ao

longo do tempo (ver Figura 5.3 e Figura 5.4), o que pode condicionar os fluxos de calor na envolvente

da habitação e, de certa forma, descredibilizar os resultados da Tabela 5.2. Além disso e tendo em

conta que aos valores das amostras experimentais estão associadas inúmeras variáveis, os resultados

obtidos não são suficientemente conclusivos para identificar uma tendência de variações de

temperatura, não sendo, por isso, possível avaliar o impacto da reabilitação na temperatura interior da

habitação.

Adicionalmente, foram ainda realizadas simulações para o presente caso de estudo segundo o

EnergyPlus, como indicado na secção seguinte 5.2, com condições fronteira iguais às obtidas

experimentalmente para a pré-reabilitação, que corresponde ao caso inicial com janelas simples em

alumínio, e para a pós-reabilitação, com janelas de PVC. Para uma análise entre os dias 16 a 28 de

Maio, verificou-se uma diferença máxima de temperaturas de 0.4°C e uma média de 0.32°C, o que

evidencia uma melhoria considerável na temperatura interior devido à reabilitação dos vãos

envidraçados.

5.2 Avaliação do EnergyPlus

Adicionalmente, foi realizada a avaliação do software EnergyPlus através dos dados obtidos

experimentalmente (caso A e caso B), para as situações antes e após a reabilitação dos vãos

envidraçados. A metodologia que se segue teve como principal objectivo avaliar o software utilizado, o

EnergyPlus. Esta avalidação foi efectuada através da comparação directa entre os resultados obtidos

pelo software e os resultados experimentais, mais propriamente, através da análise dos perfis de

temperatura medidos experimentalmente no apartamento do Caso de Estudo 2 (secção 4.3). Com isto,

pretendeu-se avaliar a qualidade e o rigor da simulação dinâmica em relação ao comportamento

observado do Caso de Estudo 2.

5.2.1 Análise por EnergyPlus

Através do software auxiliar utilizado (Google Sketchup 8 e OpenStudio), foi possível obter o desenho

tridimensional do apartamento em estudo (Figura 5.5) e, posteriormente, utilizá-lo no EnergyPlus. Este

60

desenho representa as dimensões interiores inicialmente indicadas na planta descritiva do apartamento

em questão (ver Figura 4.6), tal como os respectivos materiais de construção, de forma a retratar a

habitação o mais fielmente possível.

Figura 5.5 – a) desenho tridimensional do apartamento do Caso de Estudo 2 utilizado no EnergyPlus (esquerda), e b) desenho que inclui a orientação e o sombreamento existente de edifícios vizinhos (direita).

Em função do nível de detalhe introduzido, este software permite aproximar as simulações a casos

reais. Com o intuito de comparar os resultados obtidos pelo EnergyPlus com os resultados

experimentais, foi efectuada uma simulação para avaliar a temperatura interior do apartamento,

considerando como condições-fronteira, não o parâmetro btr, (inicialmente definido pela equação (3.2))

mas sim com os valores de temperatura obtidos experimentalmente. Desta forma, não é necessário

dimensionar o parâmetro btr e consegue-se um retrato mais rigoroso do caso real. Foram assim

realizadas simulações em que o ar adjacente a cada parede segue o perfil de temperaturas do

respectivo caso, para o período amostral do Caso A (Figura 5.1) e do Caso B (Figura 5.2). Os resultados

obtidos são apresentados na Figura 5.6, para o Caso A, e na Figura 5.7, para o Caso B. Em ambas as

simulações, apresentam-se a temperatura exterior e interior recolhidas do apartamento, bem como a

temperatura interior obtida por simulação.

Figura 5.6 – Resultados de simulação térmica utilizando o EnergyPlus, para as condições amostrais do Caso A.

12

14

16

18

20

22

24

26

28

15/05 16/05 17/05 18/05 19/05 20/05 21/05 22/05 23/05 24/05 25/05 26/05 27/05 28/05

Tem

pera

tura

(°C

)

Data (dia-mês)

Exterior Interior Simulação Interior Real

N

a) b)

61

Figura 5.7 - Resultados de simulação térmica utilizando o EnergyPlus, para as condições amostrais do Caso B.

Na sua generalidade, os resultados obtidos indicaram uma temperatura interior simulada superior à

temperatura real, predominantemente, para os primeiros dias de cada amostra. Estima-se que isto se

deva à falta de informação referente aos dias precedentes à amostragem, uma vez que a simulação do

EnergyPlus é iniciada sem qualquer informação relativa à temperatura interior inicial. De forma a

analisar resultados que não estejam sujeitos a esta limitação inicial, para o Caso A, apenas foi avaliada

a amostra entre os dias 19 e 28 de Maio. Em relação ao Caso B, foi considerada a amostra a partir do

dia 20 de Junho, até porque anteriormente a esse dia só foi possível recolher informação de dois dos

três sensores utilizados, devido à leitura incorrecta de dados por parte de um dos sensores.

Um dos métodos utilizados para analisar os resultados, e assim, do próprio software, diz respeito a

uma análise estatística das diferenças entre os valores de temperaturas interior (real e simulada). Os

resultados para cada caso são apresentados na Tabela 5.3.

Tabela 5.3 – Resultados estatísticos de temperaturas interiores simuladas e reais para as duas amostragens.

Tint,simulação - Tint real (°C) Caso A Caso B

Média 0.24 0.63

Máximo 0.69 0.95

Mínimo 0.00 0.28

Desvio Padrão 0.15 0.15

Valor Quadrático Médio 0.29 0.64

Um dos resultados a destacar diz respeito ao valor máximo de temperatura, sendo que este apresentou

valores inferiores a 1°C para ambos os casos, o que é relativamente reduzido dado que se estão a

considerar temperaturas numa gama de 18 a 20°C. Deve ainda ter-se em conta que aos sensores está

associada uma incerteza de ±0.5°C, ao mesmo tempo que a caracterização rigorosa dos elementos

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

04/06 07/06 09/06 12/06 14/06 17/06 19/06 22/06 24/06 27/06 29/06 02/07 04/07

Tem

pera

tura

(°C

)

Data (dia-mês)

Exterior Interior Simulação Interior Real

62

construtivos do local de estudo é impraticável, pelo que as características construtivas consideradas

constitui sempre uma aproximação, ainda que fiel, do caso real. A incerteza dos sensores quando

comparada com o valor médio indicado na Tabela 5.3, permite rapidamente concluir que, em certos

casos, a incerteza pode tomar valores superiores às incertezas computacionais, o que o torna um

parâmetro importante e a ser considerado na comparação de resultados deste género.

O resultado mais importante a reter desta análise diz respeito ao valor quadrático médio, uma vez que

este termo tem em conta o desvio padrão e a média dos resultados analisados. Para ambos os casos,

este valor demonstrou ser inferior à unidade, logo, existe uma boa concordância entre os resultados

obtidos por simulação com o software EnergyPlus e os resultados medidos experimentalmente.

5.3 Resultados Finais

Os resultados finais e a sua discussão são apresentados para os dois casos de estudo considerados

no Capítulo 4, segundo os dois métodos detalhados, REH e EnergyPlus, e segundo o método

Simplificado. Estes resultados são apresentados em termos das necessidades energéticas e das

temperaturas médias interiores, tanto para a estação de aquecimento como para a estação de

arrefecimento, segundo os três métodos. Para o método Simplificado, foram incluídas as perdas

térmicas para os espaços não úteis, representados pelo termo btr, tal como incluído nos outros dois

métodos, com o intuito de os métodos se encontrarem perante as mesmas condições e apresentarem

resultados finais comparáveis. Adicionalmente, são apresentados os resultados da reabilitação dos

envidraçados segundo o método Simplificado, em termos energéticos, económicos, acústicos e

ambientais.

5.3.1 Resultados Energéticos

Caso de Estudo 1

Em relação ao Caso de Estudo 1, os resultados finais são apresentados na Tabela 5.4, para os três

métodos utilizados. Adicionalmente, optou-se por incluir uma situação de reabilitação dos vãos

envidraçados (ver Tabela 5.5), caracterizada por janelas de batente de PVC de vidro duplo incolor,

idêntico ao que aconteceu na realidade no Caso de Estudo 2.

Tabela 5.4 – Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 1, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado.


REH 47.97 12.69 11.40 23.13

EnergyPlus 42.38 10.82 13.03 25.36

Simplificado 47.08 13.51 13.45 26.39

Os resultados obtidos para este caso de estudo revelaram valores de necessidades energéticas

semelhantes entre os três métodos. Em relação às temperaturas interiores, identificou-se uma maior

proximidade dos valores entre o método EnergyPlus e o método Simplificado do que para o método

REH, diferenciando em 0.42ºC e 1.03ºC, para o Inverno e o Verão, respectivamente. De um modo

63

geral, da reabilitação dos vão envidraçados resultou uma diminuição das necessidades energéticas,

principalmente em termos das necessidades de aquecimento. Por outro lado, as temperaturas médias

interiores mantiveram-se praticamente constantes após a reabilitação, observando-se que os valores

de temperaturas mais semelhantes entre si provieram do EnergyPlus e do método Simplificado.

Tabela 5.5 - Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 1 para uma situação reabilitada, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado.


REH 36.48 13.45 11.44 23.24

EnergyPlus 39.18 9.29 13.06 25.21

Simplificado 34.70 12.05 13.81 26.38

Caso de Estudo 2

Em relação ao Caso de Estudo 2, os resultados finais são apresentados na Tabela 5.6 para a situação

inicial dos vãos envidraçados e na Tabela 5.7 para a situação reabilitada.

Tabela 5.6 - Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 2, situação inicial, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado.


REH 50.78 12.67 11.20 23.06

EnergyPlus 40.28 7.05 12.56 25.09

Simplificado 48.32 7.90 13.13 25.94

Tabela 5.7 - Necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para o Caso de Estudo 2, situação reabilitada, segundo os três métodos: o REH, o EnergyPlus e o método Simplificado.


REH 37.87 9.26 11.24 22.95

EnergyPlus 36.15 5.72 12.57 24.85

Simplificado 35.36 7.10 13.47 25.88

Para este caso de estudo, verificaram-se diferenças nos resultados de necessidades energéticas

superiores às verificadas no Caso de Estudo 1. As necessidades energéticas de aquecimento

revelaram valores superiores para o método REH e Simplificado quando em comparação com o

EnergyPlus. Por outro lado, observaram-se valores de necessidades de arrefecimento semelhantes

entre o EnergyPlus e o método Simplificado. O valor mais discrepante diz respeito ao valor das

necessidades de arrefecimento segundo o REH, que apresenta um valor bastante superior aos

fornecidos pelos outros dois métodos. Esta diferença de valores pode ser explicada, de certa forma,

pelo factor de utilização dos ganhos térmicos úteis nesta estação. Tal como no caso de estudo anterior,

em relação às temperaturas médias interiores, o método Simplificado foi aquele que apresentou os

valores mais próximos do EnergyPlus.

64

Assim como no Caso de Estudo 1, os resultados finais para a reabilitação dos envidraçados revelaram

uma evidente e superior variação das necessidades de aquecimento para os métodos REH e

Simplificado face ao EnergyPlus. As necessidades de arrefecimento, por sua vez, revelaram variações

superiores segundo o REH.

Entre Métodos

De seguida apresentam-se os resultados da comparação entre os métodos detalhados utilizados e o

método Simplificado desenvolvido. Na Tabela 5.8 é apresentado o desvio dos resultados fornecidos

pelo método Simplificado em comparação com os resultados do REH, enquanto que na Tabela 5.9 são

apresentados os desvios em comparação com o EnergyPlus.

Tabela 5.8– Comparação de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para os dois casos de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo dois métodos: Simplificado e REH.

Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,inv (%)

Caso de Estudo 1 – Pré-Reab. 1.8 6.5 18.0 14.1

Caso de Estudo 1 – Pós-Reab. 4.9 10.4 20.7 13.5



Entre o método Simplificado e o REH, os resultados obtidos revelaram uma variação máxima de 7% e

de 38% para as necessidades de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente. Em relação às

temperaturas médias, a variação máxima observada foi de 21% e de 14% para o Inverno e o Verão,

respectivamente. Em termos médios, é possível considerar um desvio de 12% para as necessidades

energéticas e de 16% para as temperaturas médias interiores.

Tabela 5.9– Comparação de necessidades energéticas e temperaturas médias interiores para os dois casos de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo dois métodos: Simplificado e EnergyPlus.

Nic (%) Nvc (%) Tmi,inv (%) Tmi,inv (%)





Por sua vez, entre o método Simplificado e o EnergyPlus, os resultados indicaram uma variação

máxima de 20% para as necessidades de aquecimento e de 30% para as de arrefecimento. Em relação

às temperaturas médias, a variação máxima observada foi de 7% e de 5% para o Inverno e o Verão,

respectivamente. Em termos médios, determinou-se um desvio de 15% para as necessidades

energéticas e de 5% para as temperaturas médias interiores.

De um modo geral, concluiu-se que os resultados obtidos segundo o método Simplificado se encontram

dentro do desvio inicialmente pretendido de 15% para os valores de necessidades energéticas, quando

65

comparado com os dois métodos detalhados. Em relação às temperaturas médias interiores, o método

Simplificado apresentou desvios inferiores ao pretendido de 5% quando comparado com o EnergyPlus,

contudo, quando comparado com o método REH, os desvios são nitidamente superiores ao desejado.

Após uma extensa análise dos resultados, concluiu-se os desvios obtidos entre os vários métodos se

devem maioritariamente a duas situações: uma em relação à importância da radiação solar (i) nos

ganhos durante a estação de aquecimento para o REH e Simplificado, e outra em relação à variação

do coeficiente U dos elementos construtivos (ii) para o EnergyPlus. Em seguida, estas duas situações

são descritas com maior detalhe.

i. Radiação Solar

No final da secção 3.2, concluiu-se que a radiação solar nos elementos opacos apresentava uma

influência importante no valor nas necessidades de aquecimento. O método REH não tem em

consideração este termo, que, ao ser considerado, resultaria em valores de necessidades de

aquecimento inferiores aos obtidos para os dois casos de estudo. Em seguimento do que foi

mencionado na secção 3.2, trabalhos anteriores indicaram que, segundo simulações do EnergyPlus, à

consideração da radiação solar num edíficio gaioleiro, estariam associadas variações nas

necessidades de aquecimento na ordem dos 15%. Este facto justifica, em parte, os valores superiores

de necessidades de aquecimento obtidos pelos métodos Simplificado e REH em comparação com o

EnergyPlus.

ii. Variação do Coeficiente U

Uma análise detalhada dos resultados obtidos pelo método Simplificado e pelo REH permitiu verificar

que a variação energética entre uma situação de janelas existentes e uma situação de janelas

reabilitadas se deve maioritariamente à redução das perdas térmicas pela envolvente. Dada a redução

considerável do valor do coeficiente U, as janelas revelaram ser os elementos construtivos que mais

contribuíram para esta redução. Para estes dois métodos (REH e Simplificado) foram utilizados os

valores de coeficiente U de 5.8 W.m-2.ano-1 antes da reabilitação e de 2.6 W.m-2.ano-1 após a

reabilitação. Ambos os métodos pressupõem valores de coeficiente de U constantes ao longo do tempo

e, por isso, valores de resistência à transmissão de calor por convecção e radiação (resistência térmica)

constantes. Os valores de U constantes e mencionados anteriormente foram denominados de Uw. No

entanto, o EnergyPlus não considera o mesmo pressuposto e o valor do coeficiente U é variável, uma

vez que os valores das resistências também variam com as condições atmosféricas exteriores ao longo

do tempo. A determinação do valor de U de acordo com cada método é descrito no Anexo E, onde se

apresentam as expressões utilizadas para o efeito.

Com o intuito de identificar os parâmetros que mais influenciam as resistências superficiais no

EnergyPlus, foi realizado um estudo específico ao Caso de Estudo 2. Neste estudo, confirmou-se que

o valor das resistências térmicas superficiais depende principalmente da velocidade de escoamento do

ar (vento no exterior e correntes de ar no interior) e da temperatura do ar, assim como, adicionalmente,

depende do tipo de janelas (vidro simples ou vidro duplo). O software EnergyPlus distingue

automaticamente entre as situações de janelas de vidro simples e de vidro duplo, em função do valor

66

do coeficiente Uw introduzido. Uma vez que as condições de velocidade do ar e de temperatura variam

ao longo do dia, os valores de resistência térmica superficial também variam ao longo do mesmo, tanto

a resistência exterior, como a interior da superficie da fachada.

O estudo específico diz respeito à leitura do fluxo de calor por área que atravessa uma janela, sendo

que os restantes elementos construtivos da habitação, interiores ou exteriores, foram considerados

adiabáticos ou exibindo trocas de calor praticamente nulas. Neste estudo, foram também controladas

as condições atmosféricas exteriores e interiores, de forma a que fossem contantes ao longo de um dia

completo. Mais especificamente, utilizaram-se diferenças de temperatura entre o interior e exterior de

18ºC e de 8ºC, não tendo sido considerada qualquer radiação solar para ambos os casos. Desta forma,

foi possível fazer variar a velocidade do vento e as temperaturas (mantendo a diferença de temperatura

constante) para avaliar o impacto indiviual ou colectivo destes dois parâmetros. Os resultados obtidos

para este estudo são apresentados na Figura 5.8, na qual se apresenta o coeficiente U (fluxo de calor

por área das janelas e por diferença de temperatura) em função da velocidade do vento para condições

de temperatura diferentes e coeficientes de Uw diferentes. Em relação à velocidade do vento, foi

considerada uma gama de 0 a 40 m.s-1, enquanto que para a temperatura foram considerados valores

de: 0ºC e 18ºC, 32ºC e 50ºC e 10ºC e 18ºC de temperatura exterior e interior, respectivamente.

Figura 5.8 – Variação de fluxo de calor por área de janela, em função da velocidade do vento e da temperatura através de simulações por EnergyPlus: i) janela com coeficiente U de 5.8 W.m-2.ºC-1, e ii) janela com coeficiente

U de 2.6 W.m-2.ºC-1.

Os coeficientes de U introduzidos inicialmente no software foram os coeficientes Uw de 5.8 W.m-2.ºC-1,

que corresponde a uma janela de alumínio e vidro simples (caso inicial), e de 2.6 W.m-2.ºC-1, que

corresponde a uma janela de PVC de vidro duplo (caso reabilitado). Tendo em conta que os valores de

Uw, retirados de Pinto [35], foram calculados para uma diferença de temperatura de 20ºC e com o

ambiente exterior a 0ºC, a situação representada a azul na Figura 5.8 é uma situação em condições

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Co

efi

cie

nte

U(W

.m-2

.ºC

-1)

Vento (m.s-1)

Texterior (32ºC) e Tinterior (50ºC) para janela i Texterior (32ºC) e Tinterior(50ºC) para janela ii

Texterior (0ºC) e Tinterior(18ºC) para janela i Texterior (0ºC) e Tinterior (18ºC) para janela ii

Texterior (10ºC) e Tinterior (18ºC) para janela i Texterior (10ºC) e Tinterior (18ºC) para janela ii

67

semelhantes e comparáveis. Para o cálculo destes coeficientes de Uw, foi utilizada uma velocidade do

vento de 3.2 m.s-1 (no valor de Rse). Finalmente, e segundo este estudo, os valores de U revelaram-se

inferiores a Uw para a mesma velocidade do vento, diferenciando em cerca de 28% para a janela i) e

em 11% para a janela ii).

Os resultados revelaram uma evidente variação do coeficiente U considerado pelo EnergyPlus com a

velocidade do vento e com as temperaturas exteriores e interiores, em especial atenção para pequenos

aumentos da velocidade do vento (entre 0 a 10 m.s-1), que se traduzem em variações significantes do

coeficiente U. Adicionalmente, identificou-se uma variação do coeficiente U mais predominante para os

valores de Uw altos (vidro simples, 5.8 W.m-2.ºC-1) quando em comparação com valores baixos (vidro

duplo, 2.6 W.m-2.ºC-1), confirmando que o EnergyPlus considera condições diferentes para tipos de

vidros diferentes. Com isto em mente, justifica-se que os resultados das necessidades energéticas

obtidos através do EnergyPlus se aproximam mais dos resultados de casos em que existem janelas

com valores de Uw baixos, ou seja, de vidro duplo (janelas tipicamente utilizadas na reabilitação) dos

métodos Simplificado e REH. Remetendo para os resultados energéticos de ambos os Casos de Estudo

1 e 2, estes corroboram a conclusão acima.

Em relação às condições atmosféricas consideradas pelo EnergyPlus, estas dizem respeito aos dados

climáticos fornecidos pelo software de climas do LNEG para a cidade de Lisboa [42]. Uma análise a

estes dados climáticos revelou que a temperatura média exterior foi de 10.8ºC para a estação de

aquecimento. Uma vez que este valor é relativamente próximo do caso representado a preto na

Figura 5.8, esta variação é a mais adequada para a comparação de resultados. No entanto, é preciso

notar que a temperatura exterior varia ao longo do dia, apresentando variações entre 5 e 18ºC. Por sua

vez, em relação à velocidade do vento, os dados climáticos apresentam um valor anual de

3.23 m.s-1, o que se trata de uma boa aproximação para o valor de 3.2 m.s-1, utilizado no cálculo da

resistência térmica superficial exterior. Contudo, para a estação de aquecimento, o valor médio é de

cerca de 3 m.s-1 e para a estação de arrefecimento de 3.6 m.s-1. Adicionalmente, para a estação de

aquecimento, identificou-se uma variação diária da velocidade do vento entre 0 e 5.5 m.s-1, facto que

pontualmente faz variar o coeficiente U (ver Figura 5.8), num aumento até cerca de 0.8 W.m-2.ºC-1.

Deve ter-se ainda em consideração que o estudo anterior não considerou o efeito da radiação solar.

Este, quando tido em conta, pode representar influências significativas nos valores de resistências

superficiais exteriores da envolvente opaca, devido ao excessivo aumento pontual da temperatura

superficial (como comprovado no Anexo B) e, desta forma, significar variações superiores do coeficiente

U. Em suma, conclui-se que efectivamente o coeficiente U, tanto dos vãos envidraçados como da

envolvente opaca, pode variar bastante com as condições atmosféricas, nomeadamente, com a

velocidade do vento exterior e com a temperatura exterior e superfícial. Como exemplo, segundo o

EnergyPlus, a uma variação da velocidade do vento de 0 a 6.4 m.s-1 estão associadas variações do

coeficiente de U dos envidraçados de cerca de 1 W.m-2.ºC-1. Na prática, a esta variação estão

associadas necessidades energéticas de aquecimento de 3.7 kWh.m-2.ano-1. Ainda segundo os

mesmos dados, o EnergyPlus apresenta valores de coeficiente U inferiores aos coeficientes Uw

utilizados pelos métodos Simplificado e REH, justificando em parte os valores inferiores de

68

necessidades energéticas segundo este método, para envidraçados de fraca qualidade (vidro simples).

Resultados Energéticos da Reabilitação entre Métodos

Um dos resultados finais necessários para o cálculo da poupança na factura energética e, desta forma,

do retorno económico da reabilitação dos vãos envidraçados, diz respeito à variação dos resultados

das necessidades energéticas entre as situações pré e pós-reabilitação. Em seguimento dos resultados

obtidos na Figura 5.8 e de maneira a ser possível comparar os resultados da reabilitação entre os vários

métodos, foi necessário considerar agora um valor de Uw das janelas para situação inicial de

5 W.m-2.ºC-1. Este valor foi determinado pelo EnergyPlus, para condições atmosféricas iguais entre os

três métodos, isto é, para um vento de 3.2 m.s-1 e temperaturas de 10 e 18ºC para o exterior e interior,

respectivamente. Os novos valores de necessídades energéticas de aquecimento são apresentados

na Tabela 5.10, assim como a variação dos resultados entre as duas situações. Por sua vez, em relação

às necessidades de arrefecimento, os resultados são apresentados na Tabela 5.11. Os termos

𝜟𝑵𝒊𝒄

𝑵𝒊𝒄 − 𝐏𝐫é 𝐑𝐞𝐚𝐛. e

𝜟𝑵𝒗𝒄

𝑵𝒗𝒄 − 𝐏𝐫é 𝐑𝐞𝐚𝐛. traduzem a redução das necessidades de aquecimento e arrefecimento,

respectivamente, em relação à situação inicial, dos vão envidraçados pré-reabilitação.

Tabela 5.10– Variação das necessidades de aquecimento para as duas situações de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus.

Caso de Estudo 1 Caso de Estudo 2

Simplificado REH EnergyPlus Simplificado REH EnergyPlus

Nic - Pré-Reab.

(kWh.m-2.ano-1) 43.26 44.38 42.38 45.39 47.84 40.28

Nic - Pós-Reab.

(kWh.m-2.ano-1) 34.70 36.48 39.18 35.36 38.87 36.15

ΔNic

(kWh.m-2.ano-1) - 8.56 - 7.90 - 4.13 - 10.03 - 9.97 - 3.20

𝜟𝑵𝒊𝒄

𝑵𝒊𝒄 − 𝐏𝐫é 𝐑𝐞𝐚𝐛. (%) 19.8 17.8 9.7 22.1 20.8 7.9

As variações de necessidades de aquecimento para o método Simplificado vão ao encontro das

variações obtidas com o REH, revelando uma variação semelhante de 0.6% e 8.3% para o Caso de

Estudo 2 e 1, respectivamente. Comparativamente com estes dois métodos, o EnergyPlus revelou uma

variação inferior das necessidades entre as situações antes e após a reabilitação das janelas.

Observando a variação das necessidades energéticas, verificou-se que os métodos Simplificado e

REH, em relação ao EnergyPlus, apresentaram um desvio máximo de cerca de 10 a 14% no valor Nic

após a reabilitação dos envidraçados, para os dois casos de estudo,

Em relação às necessidades de arrefecimento, estas demonstraram variações (entre a situação inicial

e a reabilitada) semelhantes entre o método Simplificado e o EnergyPlus, ao passo que o método REH

revelou algumas discrepâncias. Em termos da variação destas necessidades, concluiu-se que o

método Simplificado, em relação ao EnergyPlus, apresentou uma variação máxima de 4 a 9% no valor

69

Nvc entre a pré e pós-reabilitação das janelas. Adicionalmente, entre o método Simplificado e o REH,

verificaram-se variações superiores, de cerca de 10 a 20%, para os dois casos de estudo.

Tabela 5.11– Variação das necessidades de arrefecimento para as duas situações de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus.



Nvc - Pré Reab.

(kWh.m-2.ano-1) 13.51 13.50 10.82 7.90 13.39 7.05

Nvc - Pós Reab.

(kWh.m-2.ano-1) 12.05 13.45 9.29 7.10 9.26 5.72

ΔNvc

(kWh.m-2.ano-1) - 1.46 - 0.05 -1.53 - 0.80 - 4.13 - 1.33

ΔNvc / Nvc - Pré

Reab. (%) 10.8 0.4 14.1 10.1 30.1 18.8

Por fim, na Tabela 5.12 são apresentadas as variações de temperaturas interiores médias, tanto para

a estação de aquecimento (Inverno) como de arrefecimento (Verão).

Tabela 5.12– Variação das temperaturas médias interiores para as duas situações de estudo, pré e pós-reabilitação, segundo os três métodos: Simplificado, REH e EnergyPlus.



ΔTmi,inv (ºC) + 0.24 + 0.02 + 0.03 + 0.24 + 0.03 + 0.01

ΔTmi,ver (ºC) + 0.01 +0.26 - 0.15 - 0.07 - 0.15 - 0.29

As temperaturas médias interiores, segundo os três métodos, demonstraram seguir a mesma tendência

de aumento para o Inverno e a mesma tendência de diminuição no Verão, com excepção dos resultados

fornecidos pelos métodos Simplificado e REH para o Caso de Estudo 1, em que se observou um

aumento da temperatura no Verão. Este aumento, na prática, deveu-se a valores superiores de ganhos

térmicos em relação às perdas para este caso de estudo. Por fim, deve ter-se em conta que, como

mencionado na secção 3.2, o EnergyPlus não permite obter especificamente as temperaturas médias

para cada estação, pelo que foi necessário pressupor que os meses de Janeiro e de Julho são

representativos da estação de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente. Ao contrário disto,

os métodos Simplificado e REH, regra geral, só apresentam os valores médios ao longo de toda a

estação.

70

5.3.2 Resultados de Reabilitação e Discussão

Por fim, apresentam-se os resultados da reabilitação segundo o método Simplificado e para os Casos

de Estudo 1 e 2, em termos energéticos, económicos, acústicos e ambientais.

Caso de Estudo 1

Os resultados para o Caso de Estudo 1 são apresentados na Tabela 5.13, sendo detalhados para a

estação de aquecimento e de arrefecimento, quando assim se justifica. Tanto para este caso de estudo,

como para o Caso de Estudo 2, foi considerado um sistema de aquecimento por resistência electrica e

um sistema de ar condicionado para o arrefecimento.

Tabela 5.13 – Resultados finais energéticos e económicos, segundo o método Simplificado, para a reabilitação dos vãos envidraçados do Caso de Estudo 1.

Resultado Aquecimento Arrefecimento Global

Variação energética (kWh.ano-1) - 718.03 - 84.74 - 802.75

Variação de necessidades energéticas

(kWh.m-2.ano-1) - 12.38 - 1.46 - 13.84

Variação de temperatura (ºC) 0.36 -0.01 -

Poupança monetária no 1º ano (€) 114.9 5.4 120.3

Período de retorno (anos) - - 45.5

VAL após 35 anos (€) - - - 1485.3

Isolamento da fachada (dB)

do caso base - - 24.67


do caso reabilitado - - 28.92

CO2 de reabilitação (kg) - - 1991.1

CO2 de reciclagem (kg) - - 15.0

CO2 energético (kg) - 103.4 - 12.2 - 115.6

Total de CO2 no 1º ano (kg) - - 1890.5

Total de CO2 após 35 anos (kg) - - - 2155.3

Os resultados revelaram um grande potencial na melhoria energética para ambas as estações, de

aquecimento e de arrefecimento, observando-se uma redução de 23% das necessidades energéticas.

Por outro lado, caso o projecto de reabilitação seja avaliado somente em termos económicos, este não

se revela apelativo, pois estimou-se um período de retorno de 46 anos, período bastante superior ao

tempo de vida útil típico das janelas de PVC, de 25 a 30 anos, devido ao tempo de vida útil dos vidros

duplos [19]. Com isto em mente, a reabilitação constitui necessariamente um investimento a longo

prazo, no entanto, diversas melhorias são identificadas a curto prazo, como é o caso da melhoria do

isolamento global da fachada, que passa a apresentar valores superiores aos mínimos recomendados

de 28 dB [23]. Adicionalmente, a reabilitação revela uma mais-valia para o ambiente, na medida em

71

que permite, a longo prazo, a redução das emissões de CO2.

Caso de Estudo 2

Em relação ao Caso de Estudo 2, os resultados pelo método Simplificado são apresentados na

Tabela 5.14. Tal como para o caso de estudo anterior, os resultados finais revelaram um elevado

potencial na melhoria energética para ambas as estações, verificando-se uma redução de 25% das

necessidades energéticas. Esta reabilitação apresenta um período de retorno de cerca de 25 anos,

período idêntico ao tempo de vida útil típico das janelas de PVC, como referido anteriormente. Apesar

de a reabilitação, para este caso de estudo, constituir também um investimento a longo prazo, a curto

prazo identificaram-se novamente melhorias no isolamento global da fachada mais exposta ao ruído.

A reabilitação neste segundo caso de estudo revelou reduções de emissões de CO2 muito superiores

(superior a 100%) em relação ao caso anterior. Este facto deve-se principalmente às janelas da

habitação pré-reabilitação, compostas por alumínio simples. Com o projecto de reabilitação em curso,

o alumínio das janelas antigas é reciclado e, a médio prazo, esta reciclagem traduz-se na redução de

novas emissões de CO2 na produção de perfis.

Tabela 5.14 – Resultados finais energéticos e económicos, segundo o método Simplificado, para a reabilitação dos vãos envidraçados do Caso de Estudo 2.

Resultado Aquecimento Arrefecimento Global

Variação energética (kWh.ano-1) - 985.06 - 61.30 - 1046.37

Variação de necessidades energéticas

(kWh.m-2.ano-1) - 12.96 - 0.81 - 13.77

Variação de temperatura (ºC) 0.33 - 0.07 -

Poupança monetária no 1º ano (€) 157.6 3.9 161.5

Período de retorno (anos) - - 24.1

VAL após 35 anos (€) - - 2064.2


do caso base - - 23.05


do caso reabilitado - - 28.44

CO2 de reabilitação (kg) - - 1431.1

CO2 de reciclagem (kg) - - - 1107.8

CO2 energético (kg) - 141.8 - 8.8 -150.7

Total de CO2 no 1º ano (kg) - - 172.6

Total de CO2 após 35 anos (kg) - - - 5101.1

72

5.4 Retorno Económico e Social

A avaliação do potencial e da mais-valia da reabilitação de vãos envidraçados em larga escala deve

considerar os dividendos económicos e também sociais daí resultantes. Com base nos Casos de

Estudo 1 e 2, os resultados finais de poupança energética permitem determinar o retorno económico

associado. Por outro lado, o retorno social pode ser associado às estimativas de mão-de-obra

necessária à reabilitação dos vãos envidraçados.

Para os Casos de Estudo 1 e 2, os resultados finais de poupança na factura energética e a mão-de-

obra associada à reabilitação dos vãos envidraçados são apresentados na Tabela 5.15. Para realizar

estas estimativas foram presumidas as seguintes considerações:

Sistema de climatização composto por uma resistência eléctrica (rendimento de 100%) para o

aquecimento e por ar condicionado (COP de 2.5) para o arrefecimento. Como verificado para

os dois casos de estudo analisados e de acordo com dados do INE para 2010 [8], 95% da

energia de climatização corresponde ao aquecimento da habitação e os restantes 5% ao

arrefecimento. O custo de electricidade considerado foi de 0.16 €.kWh-1 [38].

Tempo de mão-de-obra associado à produção e montagem de vãos envidraçados de

aproximadamente 2 h.m-2 para vãos envidraçados de melhor qualidade, como é o caso de

perfis de Alumínio com corte térmico ou de perfis de PVC. Este valor resulta da consulta de

pequenas e médias empresas da indústria de transformação de caixilharias.

Tabela 5.15– Poupança energética e mão-de-obra associada à reabilitação dos vãos envidraçados para os Casos de Estudo 1 e 2.


Simplificado/REH EnergyPlus Simplificado/REH EnergyPlus

Poupança Energética (kWh.ano-1)

803 328 1046 344

Poupança na Factura Energética (€.ano-1)

120 51 162 53

Área dos Vãos Envidraçados (m2)

15.5 11.1

Poupança Energética por Envidraçado (€.m-2.ano-1)

7.8 3.3 14.5 4.8

Mão-de-obra (h) 31 22

Como demonstrado ao longo deste trabalho, o método Simplificado apresenta resultados semelhantes

ao método regulamentar REH, no entanto, o EnergyPlus é o método que melhor representa o

comportamento energético de apartamentos. Segundo o EnergyPlus, para os dois casos de estudo, o

projecto de reabilitação dos vãos envidraçados resultaria numa poupança na factura energética em

cerca de 50 € anuais. Apesar de revelar um período retorno económico longo para o ocupante/utilizador

individual, o projecto de reabilitação de vãos envidraçados pode resultar em retornos sociais

73

importantes, como é o caso da mão-de-obra requerida para a sua implementação.

Analisando uma pequena e média empresa de transformação de caixilharia com uma facturação anual

de 1 M€, a distribuição e organização da mão-de-obra seguida é apresentada na Tabela 5.16. Tendo

por base um custo médio de vãos envidraçados de melhor qualidade de 300 €.m-2 é possível estimar a

mão-de-obra associada à secção da transformação directa dos vãos envidraçados. Além da produção

das novas janelas, é necessário ter em conta toda a mão-de-obra e custos adicionais à transformação

directa dos vãos, nomeadamente, relativa ao transporte, montagem, parte administrativa, parte

comercial, de orçamento de projectos, entre outros.

Tabela 5.16 – Distribuição média das componentes de uma empresa especializada em reabilitação de vãos envidraçados

Percentagem (%) Mão-de-obra (h)

Administração e Comercial 15 2500

Projecto 10 1667

Transformação Directa 40 6667

Deslocações e Montagem 20 3333

Outros 15 2500

Total 100 16667

Considerando que um dia apresenta 7 h úteis de trabalho, os 253 dias úteis do ano de 2014

correspondem a 1771 h de trabalho. De acordo com a mão-de-obra total necessária, estima-se que

sejam necessários 10 trabalhadores durante um ano completo. Em suma, a investimentos de 1 M€

estão associados 10 postos de trabalho, referentes somente à indústria de transformação de caixilharia.

Segundo dados do INE [8], em 2010 existiam mais de 2 milhões de habitações portuguesas com vãos

envidraçados de fraca qualidade (vãos com vidro simples e/ou sem perfis com corte térmico), o que,

em termos de área envidraçada, corresponde a cerca de 13.3 m2.habitação-1. Em termos práticos, um

investimento de 1 M€ corresponderia à reabilitação dos vãos envidraçados de cerca de 44.3 mil

habitações em Portugal, valor aquém das necessidades de reabilitação de envidraçados no país.

Pressupondo um cenário em que os 2M de habitações seriam alvo de reabilitação, na mesma lógica,

ao longo de um período de projecto de reabilitação de 15 anos, criar-se-ia mão-de-obra estrutural em

cerca de 5 mil postos de trabalho.

Conclui-se assim que a reabilitação dos vãos envidraçados apresenta um retorno social positivo, na

medida em que pode garantir de forma sustentável um determinado número de postos de trabalho.

Convém ainda mencionar que, na realidade, a mão-de-obra associada à reabilitação seria superior à

referida, devido a todos os processos precedentes à indústria de transformação dos vãos, como, por

exemplo, a manufactura de vidros e perfis, a lacagem dos perfis e a produção de todos os acessórios

adicionais.

6

Conclusões e

Trabalhos Futuros

74

6.1 Método Simplificado

O trabalho desenvolvido nesta tese teve como objectivo principal o desenvolvimento de um método

simplificado, mas suficientemente rigoroso, que permitisse avaliar o potencial de reabilitação de vãos

envidraçados em apartamentos. A avaliação tem por base o impacto da reabilitação no conforto térmico

e na energia de climatização, assim como a viabilidade económica do projecto de reabilitação.

Adicionalmente e como forma de valorização do conforto para com o ocupante, este modelo considera

a variação da temperatura interior e a acústica da habitação.

Neste trabalho, resultados experimentais em termos de perfis de temperatura foram utilizados como

ferramenta de avaliação do software EnergyPlus, que se confirmou como um método rigoroso na

descrição do comportamento energético de habitações. O seu rigor é justificado por se tratar de uma

ferramenta de simulação dinâmica e horária. Por outro lado, ambos o método REH e o método

Simplificado desenvolvido, e aqui apresentado, constituem métodos sazonais e quasi-estáticos. O REH

consiste na legislação portuguesa que é actualmente aceite e amplamente utilizada para estudos de

eficiência energética, sendo alvo de constantes revisões e actualizações. O método Simplificado,

seguindo uma metodologia semelhante ao REH, mas com algumas simplificações, apresenta

resultados que se aproximam deste método legislativo, nomeadamente, ao estudar o impacto

energético da reabilitação de vãos envidraçados em habitações.

O método Simplificado desenvolvido em folhas de cálculo Excel apresenta uma interface simples e

intuitiva, que requer poucos dados de entrada, o que constitui uma grande mais-valia face aos inúmeros

inputs exigidos pelos métodos mais detalhados. Nesta ferramenta, destaca-se também a obtenção e

visualização imediata dos resultados, bastando qualquer alteração às características das janelas.

Tendo em conta que o método desenvolvido constitui um método mais simplificado, faz sentido que os

valores absolutos de necessidades energéticas revelem alguma diferença relativamente aos valores

obtidos segundo os métodos detalhados. Aliás, quando aplicado aos Casos de Estudo 1 e 2, o método

Simplificado em comparação com o REH, apresentou desvios médios de 12% para as necessidades

energéticas e de 16% para as temperaturas médias interiores. Por sua vez, o método quando

comparado com o EnergyPlus revelou desvios médios na ordem dos 15% para as necessidades

energéticas e dos 5% para as temperaturas médias interiores. De um modo geral, concluiu-se que os

resultados obtidos segundo o método Simplificado se encontram dentro do desvio inicialmente

pretendido de 15% para os valores de necessidades energéticas, quando comparado com ambos os

métodos detalhados. Em relação às temperaturas médias interiores, o método Simplificado apresentou

um desvio superior ao pretendido de 5% em relação ao REH, mas um desvio idêntico a 5% quando

comparado com o EnergyPlus. Uma análise aos resultados obtidos concluiu que os desvios obtidos

entre os vários métodos se devem maioritariamente a duas situações: uma pelo facto de que os

métodos REH e Simplificado não consideram o impacto da radiação solar nos elementos opacos na

estação de aquecimento, e outra devido ao EnergyPlus apresentar variações do coeficiente U dos

elementos construtivos da envolvente (janelas de vidro simples e elementos opacos) em função das

condições atmosféricas.

75

Entre as situações de pré e pós-reabilitação, o método Simplificado apresentou variações semelhantes

de necessidades energéticas de aquecimento com o REH (diferença máxima de 8%, para os dois casos

de estudo), mas superiores em relação ao EnergyPlus. Já em relação às necessidades de

arrefecimento, verificou-se que o método Simplificado apresentava variações desiguais do REH, mas

semelhantes com o EnergyPlus.

Em relação aos resultados finais da aplicação do método Simplificado, concluiu-se que o impacto da

reabilitação dos vãos envidraçados não pode ser apenas avaliado em termos energéticos, sendo

também necessário considerar o conforto térmico, visual e acústico para com o ocupante, bem como a

qualidade do ar interior. Para os dois casos de estudo, os resultados finais revelaram uma evidente

melhoria energética nas necessidades de climatização. A análise económica do projecto de reabilitação

apresentou longos períodos de retorno, superiores a 25 anos. No entanto, há que notar que a

reabilitação apresenta melhorias imediatas, nomeadamente, em termos da acústica da habitação, da

redução na transmissão de ruídos aéreos exteriores e do controlo das renovações do ar da habitação.

A reabilitação pode ainda apresentar uma mais-valia para o ambiente em termos das emissões de CO2,

através da reciclagem das janelas antigas da habitação, que em alguns casos, possuem valor residual,

e através da redução de emissões devido à redução no consumo de energia pelos sistemas de

climatização. Neste seguimento, da reabilitação dos vãos envidraçados pode resultar um retorno

ambiental positivo a médio-longo prazo.

Por fim, à reabilitação dos vãos envidraçados estão ainda associados retornos sociais consideráveis,

devido à mão-de-obra gerada ou garantida. Atendendo às necessidades de reabilitação de vãos

envidraçados em Portugal, a um cenário de reabilitação total de 2 M de habitações estão associados 5

mil postos de trabalho estruturais durante um período de 15 anos. Convém ainda mencionar que, na

realidade, a mão-de-obra associada à reabilitação seria superior à referida, devido a todos os processos

precedentes à indústria de transformação dos vãos.

Como demonstrado ao longo deste trabalho, o método Simplificado desenvolvido constitui uma

ferramenta intuitiva e expedida, capaz de avaliar e caracterizar projectos de reabilitação de vãos

envidraçados numa perspectiva holística. Além disso, o uso desta ferramenta não é restrito a técnicos

especializados e pode ser aplicado em grande escala. A reabilitação dos vãos envidraçados de fraca

qualidade térmica tem como fim a melhoria da eficiência energética das habitações e do conforto do

ocupante, favorecendo a redução global da energia residencial desperdiçada e, em última análise, o

consumo de combustíveis fósseis.

6.2 Resultados Experimentais

Os resultados experimentais da permeabilidade ao ar revelaram ser uma mais-valia, uma vez que

possibilitaram obter uma informação detalhada das infiltrações existentes, assim como de alguns dos

elementos constituintes da habitação, apresentando a vantagem de se tratarem de ensaios não

destrutivos. Para a reabilitação dos envidraçados no Caso de Estudo 2, verificou-se uma redução

experimental da taxa de renovação de ar de 33%, o que em termos das necessidades de aquecimento

representou uma redução notável de 4.66 kWh.m-2.ano-1 (cerca de 10% de Nic).

76

Os resultados experimentais de perfis de temperatura apresentaram uma boa concordância com os

resultados obtidos pelo EnergyPlus, o que permitiram confirmar uma boa proximidade das simulações

do EnergyPlus com um caso real. Por outro lado, os perfis de temperatura obtidos para os dois

conjuntos de amostragem do Caso de Estudo 2 não possibilitaram identificar uma tendência relevante

no impacto da reabilitação na temperatura interior do apartamento, dada a diferente variação das

condições atmosféricas durante os períodos de amostragem

6.3 Trabalhos Futuros

Este trabalho constituiu um passo importante no desenvolvimento de ferramentas expeditas para

avaliação do potencial de reabilitação de vãos envidraçados. A fim de garantir uma melhoria contínua

da ferramenta e do método desenvolvido deverão ser consideradas as seguintes linhas de acção em

trabalhos futuros:

I. Aplicação e experimentação para mais casos de estudo, de modo a tornar mais robusta a

componente experimental e a interface gráfica da ferramenta.

II. Melhoria da ferramenta na parte da ventilação, com a finalidade de analisar outras direcções do

vento, quer seja frontal ou lateral.

III. De forma a poder inferir acerca do potencial de reabilitação dos envidraçados a grande escala, o

método Simplificado deverá ser aplicado a casos típicos de uma área de estudo bem definida (ex.

Lisboa, Porto), com um parque habitacional envelhecido ou sujeitos a condições atmosféricas mais

adversas.

IV. Em ensaios experimentais que avaliem o efeito da reabilitação dos envidraçados, através de perfis

de temperatura, deverá ser considerada a obtenção de períodos amostrais mais longos, de forma

a aumentar a probabilidade de se verificarem condições atmosféricas semelhantes.

.

Anexos

77

Anexo A - Interface das Folhas de Cálculo do Método Simplificado

Figura A.1 – Interface gráfica total da primeira folha de cálculo do método Simplificado.

78

Figura A.2 – Interface gráfica da primeira folha de cálculo do método Simplificado, parte 1.

79

Figura A.3 – Interface gráfica da primeira folha de cálculo do método Simplificado, parte 2.

80

Figura A.4 – Interface gráfica total da segunda folha de cálculo do método Simplificado.

81

Figura A.5 – Interface gráfica da segunda folha de cálculo do método Simplificado, parte 1.

82

Figura A.6 – Interface gráfica da segunda folha de cálculo do método Simplificado, parte 2.

83

Figura A.7 – Interface gráfica da terceira folha de cálculo do método Simplificado.

84

Anexo B - Impacto da Radiação Solar na Envolvente Opaca

B.1 Introdução

Os resultados obtidos para o Modelo Base, mais propriamente, em termos das necessidades de

aquecimento e das temperaturas interiores, revelaram discrepâncias consideráveis entre ambos os

métodos detalhados. Consequentemente foram realizadas análises a alguns dos parâmetros mais

importantes, sendo descritas ao longo do presente anexo. Uma vez que a presente dissertação não

tem como finalidade uma análise pormenorizada dos métodos detalhados e apenas pretende

compreender os resultados, as análises efectuadas pretendem-se simples e rápidas, e que permitam

identificar a razão da discrepância entre os resultados. Como nota, considera-se crucial que futuros

trabalhos abordem a questão identificada na secção B.3.

B.2 Condições Atmosféricas e Outros Parâmetros

Após verificação de que todos os inputs considerados no EnergyPlus se encontravam correctamente

introduzidos, a primeira análise pretendeu identificar se os dados climáticos utilizados na simulação

estavam em conformidade com o considerado pelo método REH. Desta forma, comparam-se as

temperaturas médias exteriores (Tme,inv e Tme,ver) e o valor de Graus-Dias (GD ou ºC.dia-1), na base de

18ºC, correspondente à estação convencional de aquecimento. Os valores das temperaturas foram

retirados directamente do Energyplus, considerando os meses de Janeiro e Julho como representativos

da estação de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente. Por sua vez, o valor de GD teve de

ser determinado uma vez que o software não permite a leitura directa do mesmo. A expressão utilizada

para este parâmetro é apresentada pela equação (b.1), obtida através do somatório dos valores

positivos entre a diferença da temperatura interior de conforto de (Tint,ref) e da temperatura exterior

(Text), a dividir pelas 24horas de cada dia. Os resultados obtidos encontram-se na Tabela B.1.

GD = ∑(𝑇𝑖𝑛𝑡,𝑟𝑒𝑓 − 𝑇𝑒𝑥𝑡)

+

24

(b.1)

Tabela B.1 – Temperaturas médias exteriores de Inverno e Verão e Graus-Dias do Modelo Base, segundo os dois métodos detalhados.

Método Tme,inv (ºC) Tme,ver (ºC) GD (ºC.dia)

REH 8.3 21.2 1555

EnergyPlus 8.3 22.5 1440

Dado que os resultados obtidos não apresentam uma diferença considerável, estes não justificam a

discrepância entre valores de necessidades inicialmente obtidos, sendo necessário avaliar outros

parâmetros. Estes parâmetros dizem respeito à renovação do ar (Rph), aos ganhos internos (Gint) e à

envolvente opaca.

Considere-se um caso mais simples com o intuito de deduzir a influência adicional nos resultados

devido a outros parâmetros não identificados, nomeadamente, um caso constituído apenas por

85

elementos opacos, de dimensões 10x10 m e um pé direito de 2.7 m, localizado nas zonas climáticas I2

e V2. Os parâmetros considerados foram analisados tanto individualmente, como de forma agrupada

por várias combinações, tendo-se considerado a envolvente opaca composta por duas paredes e a

cobertura com as características construtivas do Modelo Base. Os resultados obtidos são apresentados

na

Tabela B.2.

Tabela B.2 – Necessidades energéticas para casos simples segundo dois métodos detalhados.

Casos considerados Nic (kWh.m-2.ano-1) Nvc (kWh.m-2.ano-1)

REH EnergyPlus REH EnergyPlus

Rph – 0.6 h-1 20.55 19.6 0.00 0.00

Gint – 4W.m-2 11.75 35.03 20.55 0.00

Uma Parede (Norte) 10,00 7,83 0.01 0.00

Uma Parede (Sul) 10,00 2.44 0.09 0.28

Cobertura 37.32 21.64 2.61 2.03

Duas paredes 20.15 10.25 0.06 0.06

Duas paredes e Cobertura 57.50 29.78 1.97 1.86

Duas paredes, Cobertura, Rph - 0.6 h-1 78,00 49.03 0.85 1.83

Duas paredes, Cobertura, Gint – 4 W.m-2 38.70 13.50 10.32 10.80

Duas paredes, Cobertura, Rph - 0.6 h-1 e

Gint – 4 W.m-2 58.85 30.28 8.55 10.33

Os resultados obtidos para os parâmetros de renovação de ar e ganhos internos não diferem de forma

considerável. Para o parâmetro dos ganhos internos, o valor de Nic segundo o EnergyPlus representa

um valor para o ano inteiro, em que este equivale à soma de Nic e Nvc, segundo o método REH. Os

restantes parâmetros que caracterizam a envolvente opaca revelaram valores discrepantes,

principalmente, quando foi considerada as duas paredes e a cobertura. Desta forma, rapidamente se

identifica que a envolvente opaca é um parâmetro crítico e que pode contribuir para a discrepância

entre os valores inicialmente mencionados.

B.3 Radiação Solar na Envolvente Opaca

Com o intuito de melhor compreender a que se devem os valores inferiores de necessidades de

aquecimento para a envolvente opaca, foi realizado um estudo pormenorizado a este parâmetro.

Demonstrado que os dados climáticos considerados segundo os dois métodos são idênticos, optou-se

por avaliar a influência da radiação solar na envolvente opaca.

A radiação média incidente para a orientação Sul na estação de aquecimento (Gsul) apresenta o valor

de 140 kWh.m-2.ano-1, segundo o método REH. Para o caso do EnergyPlus, a radiação apresenta um

valor de 135.25 kWh.m-2 para Sul e de 24.43 kWh.m-2 para Norte (Gnorte), ambos os valores retirados

86

para o mês de Janeiro. Os valores de radiação média incidente são concordantes entre ambos os

métodos.

Considere-se agora a influência da radiação solar num elemento opaco de uma habitação. A radiação,

quando incidente no elemento, é dividida em duas parcelas principais. Uma parcela que representa a

radiação reflectida para o exterior (cerca de 60%, para uma parede de cor clara [43]) e uma restante

parcela que é absorvida pelo elemento opaco. A energia absorvida pelo elemento é por sua vez

distribuída em energia perdida para o exterior por convecção e energia retida pela superfície, o que

originará um aumento da temperatura superficial. Considere-se uma parede unidimensional como o

elemento opaco a estudar. Segundo a equação de condução do calor (2.1), considerando uma

temperatura interior constante de 18ºC, um aumento da temperatura superficial exterior vai traduzir-se

numa redução da diferença de temperatura, tendo-se, desta forma, uma redução de fluxo de calor

𝑞′′(W.m-2). Em suma, uma redução do fluxo de calor origina menores perdas por transmissão de calor,

o que, por sua vez, representa uma redução das necessidades energéticas de aquecimento. De forma

a justificar o raciocínio anterior, é necessário verificar se a temperatura superficial exterior apresenta

um aumento considerável. É possível determinar esta temperatura teoricamente partindo da equação

de condução de calor (2.1) e da equação análoga para as resistências, apresentado na Figura B.1,

equação (b.2).

Figura B.1 – Análogo de resistências de uma parede bidimensional.

𝐺 × α =𝑇𝑖𝑛𝑡 − 𝑇𝑠𝑒

𝑅𝑤𝑎𝑙𝑙 + 𝑅𝑠𝑖+

𝑇𝑠𝑒 − 𝑇𝑒𝑥𝑡

𝑅𝑠𝑒 (b.2)

Na equação acima, o termo G representa a radiação média incidente, o termo α a absortividade da

parede e as temperaturas dadas por Tint, Text e Tse representam a temperatura interior, exterior e

superficial exterior, respectivamente. Os restantes termos, Rse, Rwall e Rsi, dizem respeito à resistência

térmica da superfície exterior, da parede e da superfície interior respectivamente. Considerando as

temperaturas Tint como 18ºC e Text como 8.3ºC, e as resistências Rse, Rwall e Rsi como 0.04, 0.83 e

0.13 m2.ºC.W-1, respectivamente, obteve-se a temperatura superficial exterior para uma parede

G (W.m-2)

Text Tint

Tse

Rwall Rse

Exterior Interior Parede

Tsi

Rsi

87

orientada a Norte e uma a Sul. Os valores de radiação média incidente foram considerados como os

valores anteriormente obtidos pelo EnergyPlus. Tendo em conta todos estes parâmetros, foram obtidas

as temperaturas superficiais exteriores de 8.24ºC e 10.09ºC para paredes orientadas a Norte e a Sul,

respectivamente. Estes valores não apresentam uma diferença muito significativa quando comparados

com a temperatura média exterior de 8.3ºC, contudo, esta mesma análise quando aplicada ao

EnergyPlus revelou valores de temperaturas superficiais relativamente superiores. As temperaturas

obtidas apresentaram valores de 9.29ºC e 13.13ºC, para as paredes orientadas a Norte e a Sul. Para

a parede a Sul, os resultados representaram uma diferença considerável de cerca de 5ºC.

Esta simulação segundo o EnergyPlus permitiu ainda relacionar o impacto da radiação solar na

temperatura da superfície exterior das paredes. Especificamente para a parede Sul os resultados são

apresentados na Figura B.2, em que facilmente se observa uma relação directa entre a radiação solar

incidente na parede e a temperatura superficial exterior da mesma. Pontualmente, esta relação revela-

se de extrema importância, uma vez que valores de radiação incidente de 900 kWh.m -2 induzem um

aumento de temperatura superficial exterior até cerca de 20ºC, razão pela qual a temperatura superficial

exterior média mensal para o mês de Janeiro ter apresentado um valor de 13.13ºC, consideravelmente

superior à média exterior de 8.3ºC.

Figura B.2 – Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a sul e radiação incidente para o mês de Janeiro, segundo o EnergyPlus.

Considere-se agora uma simulação idêntica que inclua a parede orientada a sul e ainda outra parede

orientada a norte e uma cobertura. Os resultados da simulação quando analisados mensalmente para

todos os meses do ano são apresentados pelas figuras: Figura B.3 e Figura B.4 e Figura B.5, que

correspondem à parede orientada a sul, à parede orientada a norte e à cobertura respectivamente. Os

resultados demonstram que a radiação solar incidente induz um aumento considerável da temperatura

superficial exterior face à temperatura exterior durante o ano inteiro.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1/1 6/1 11/1 16/1 21/1 26/1 31/1

Rad

iação

méd

ia i

ncid

en

te (

kW

h.m

-2)

Tem

pe

ratu

ra (°C

)

Data (dia-mês)

Exterior Exterior Parede Sul Radiação Incidente Sul

88

Figura B.3 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a sul e radiação incidente mensal, segundo o EnergyPlus.

Figura B.4 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma parede orientada a norte e radiação incidente mensal, segundo o EnergyPlus.

Figura B.5 - Simulação dinâmica da temperatura superficial exterior de uma cobertura e radiação incidente mensal, segundo o EnergyPlus.

0

50

100

150

200

250

300

350

5

10

15

20

25

30

Jan. Fev. Mar. Abr. Maio Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez.

Rad

iação

méd

ia i

ncid

en

te

(kW

h.m

-2)

Tem

pera

tura

(°C

)

MêsExterior Exterior Parede Sul Interior Radiação Incidente Sul

0

50

100

150

200

250

300

350

5

10

15

20

25

30


Rad

iação

méd

ia i

ncid

en

te

(kW

h.m

-2)

Tem

pera

tura

(°C

)

MêsExterior Exterior Parede Norte Interior Radiação Incidente Norte

0

50

100

150

200

250

300

350

5

10

15

20

25

30


Rad

iação

méd

ia i

ncid

en

te

(kW

h.m

-2)

Tem

pera

tura

(°C

)

MêsExterior Exterior Cobertura Interior Radiação Incidente Cobertura

89

Tendo-se então concluído que o aumento da temperatura superficial exterior se deve maioritariamente

à radiação solar incidente, torna-se importante relacionar esse efeito com as necessidades energéticas.

O software EnergyPlus possui a funcionalidade de realizar simulações sem o efeito da radiação solar.

Considerando o caso simples até aqui estudado e incluindo ganhos internos (4 W.m-2) e renovação do

ar (0.6 h-1), simularam-se diferentes casos com as duas paredes e cobertura. Os resultados obtidos em

termos de necessidades de aquecimento apresentam-se na Tabela B.3.

Tabela B.3 – Necessidades energéticas de aquecimento para a envolvente opaca com e sem efeito da radiação solar para o método EnergyPlus.

Casos considerados Nic (kWh.m-2.ano-1)

Com Sol Sem Sol

Uma Parede (Norte) 7.83 10.78

Uma Parede (Sul) 2.44 10.78

Cobertura 21.64 53.97

Duas paredes 10.25 20.94

Duas paredes e Cobertura 29.78 69.03

Os resultados acima indicam uma influência relevante da radiação solar nas necessidades de

aquecimento, pelo que este factor não pode ser totalmente desprezado, como acontece no método do

REH. Além disto, deve ter-se em consideração que quando se analisa uma habitação, o que não é a

presente situação, a diferença entre os resultados determinados por ambos os métodos detalhados

deve ser inferior, devido à existência de uma área de exposição ao exterior muito inferior à considerada

(que neste caso perfez uma área total de 154 m2). Trabalhos anteriores, como o de Mamede [37],

revelaram influências devidas aos ganhos solares nas necessidades de aquecimento em cerca de 15%,

num edifício gaioleiro e quando não considerando qualquer sombreamento, segundo o software

EnergyPlus.

90

Anexo C - Ensaios de Pressurização

C.1 Introdução

Nesta secção, pretende-se descrever resumidamente um dos tipos de ensaios experimentais

realizados, mais especificamente os ensaios de permeabilidade ao ar, ou também denominados por

ensaios de pressurização ao ar em habitações. Estes ensaios têm como objectivo estimar as infiltrações

na habitação pois, tal como Pinto refere [19], “a ventilação e as infiltrações de ar são responsáveis por

uma parte relevante das perdas térmicas dos edifícios; Na generalidade dos casos as frinchas não são

visíveis, sendo necessário recorrer ao ensaio de pressurização para avaliar a conformidade com

valores limite de permeabilidade ao ar; Através de ensaios sucessivos, nos quais são vedados alguns

elementos da envolvente e componentes do sistema de ventilação é possível determinar as curvas de

características dos mesmos.”.

Nesta secção apenas se pretende introduzir os conceitos, procedimentos e materiais dos respectivos

ensaios experimentais, uma vez que as curvas características de cada ensaio foram apresentadas ao

longo do Capítulo 4.

C.2 Conceitos

Os ensaios de permeabilidade ao ar são normalmente realizados com o auxílio de um sistema de porta

ventiladora (Figura C.1, i)), a qual permite avaliar o nível de estanquidade dos componentes da

envolvente da habitação. Os ensaios são realizados em condições de pressão e de depressão, pelo

que o resultado final obtém-se através da média dos dois ensaios.

A estanquidade da envolvente de um edifício representa a quantidade de infiltração de ar de um edifício

em relação ao seu volume. A permeabilidade ao ar de um edifício é expressa em termos de infiltração

de ar em metros cúbicos por hora e por metro quadrado da área da envolvente do edifício, quando

submetido a um diferencial de pressão de 50 Pa, pelo qual se dá o nome de ensaio n50. Esta infiltração

de ar é assim definida como um fluxo, não desejado, de ar para dentro e fora do edifício, resultante do

diferencial de pressão causado pelo vento, equipamentos de ventilação e pelo efeito chaminé [29].

As infiltrações podem depender de vários parâmetros, nomeadamente:

direcção do vento;

orientação do edifício;

tipo de ventilação (Natural ou Mecânica);

diferencial de temperatura interior/exterior; e

comportamento dos ocupantes.

91

C.3 Procedimento e Material Utilizado

De seguida descreve-se o procedimento experimental segundo a ordem de execução utilizada:

Montar a caixilharia em alumínio (Figura C.1, a)) e ajustá-la às dimensões da porta a utilizar

para a realização do ensaio de pressurização ou despressurização;

Após o ajuste colocar o tecido estanque (Figura C.1, b)) na caixilharia;

Colocar a caixilharia de alumínio à porta de ensaio e ajustar completamente;

Instalar o ventilador (Figura C.1, c)) de forma a ficar seguro e orientado de acordo com o ensaio

a realizar;

Instalar e ligar o databox de pressão (Figura C.1, e)) ao computador;

Instalar os tubos de pressão (Figura C.1, g)) à porta ventiladora e ao databox conforme o tipo

de ensaio pretendido. Os tubos de pressão permitem obter a leitura das pressões nos

diferentes locais necessários, como por exemplo: o exterior e o interior do local a ensaiar bem

como a pressão no interior do ventilador;

Ligar o computador (Figura C.1, f)), e aceder ao software de ensaios (TECTITE Express 3.1),

preenchendo as seguintes variáveis necessárias:

Volume, V (m3) – Volume da habitação, só é necessário caso se pretenda obter resultados

que requeiram o volume, como por exemplo, as renovações horarias. Se a cave for incluída

deve-se executar o ensaio com a porta aberta entre a cave e a habitação;

Área total da envolvente (m2) – Área da envolvente exterior da habitação;

Área de pavimento (m2) – Área total de todos os elementos pertencentes ao volume interior;

Pressão barométrica (kPa) – Utilizado para correção de densidades, o valor de 101,325kPa

de acordo com a norma EN13829;

Localização do operador – Permite selecionar o ensaio de pressurização ou o ensaio de

despressurização; e

Temperatura, inicial e final – Temperatura no interior e exterior da habitação no início e no

fim de cada ensaio, obtidos pelo sensor de temperatura (Figura C.1, h)).

Ligar o ventilador e proceder aos ensaios de pressurização e despressurização. Sendo que no

início e final de cada ensaio é necessário cobrir o ventilador com o tecido estanque apropriado

(Figura C.1, e)). Por fim guardar os resultados.

O software de ensaios utilizado já tem em conta as correções devidas à existência ou não de vento

(razão por se cobrir o ventilador com o tecido estanque) e à variação de temperatura que, por sua

vez, faz variar a densidade e, consequentemente, o caudal que passa através do ventilador.

Os procedimentos experimentais tiveram por base o manual de utilização do equipamento da porta

ventiladora [44] e o documento [29], em que as características do material utilizado foram retiradas

do primeiro documento, o manual de utilização.

92

Na Figura C.1, é apresentado todo o material utilizado para a realização dos ensaios de pressurização.

Figura C.1 – Material utilizado nos ensaios de pressurização: a) Caixilharia em alumínio ajustável, b) tecido estanque, c) ventilador centrífugo e controlador (Minneapolis Blower Door Model 4/230V), d) tecido estanque para o ventilador, e) databox de pressão (box de aquisição de dados), f) computador, g) tubos de leitura de

pressão, h) sensor de temperatura, i) sistema da porta ventiladora totalmente montado in situ.

Com os ensaios de pressurização, para os casos de estudo avaliados pretendeu-se avaliar a

permeabilidade e a perda de carga dos vários elementos da envolvente, destacando-se os seguintes

elementos:

permeabilidade ao ar da envolvente (n50 da fração em estudo);

caixilharia (permeabilidade ao ar das portas e janelas);

caixas de estore (permeabilidade ao ar); e

condutas de admissão e exaustão de ar (perda de carga).

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g) h)

i)

93

Anexo D - Incerteza Experimental de Ensaios de Temperatura

D.1 Incerteza

Com o intuito de estimar a incerteza existente nos sensores de temperatura utilizados (HOBO U10

Temp/RH Logger), procedeu-se a um exercício prático, em que os sete sensores utilizados foram

colocados no mesmo sítio, de modo a registarem condições de temperaturas iguais e assim ser

possível comparar os resultados obtidos. Estes resultados são apresentados na Figura D.1, para um

período de medição de cinco horas, com uma leitura de dez em dez minutos.

Figura D.1 – Ensaio de incerteza a sete sensores de temperatura.

Analisando os resultados obtidos por todos os sensores de temperatura, verifica-se que estes indicam

uma diferença entre 0.1 e 0.3 °C, podendo considerar-se uma incerteza compreendida entre estes

valores. Esta incerteza obtida é inferior ao valor fornecido pelo fabricante, de ±0.5°C [41], contudo,

seriam necessários mais ensaios para confirmar os resultados obtidos.

22.6

22.7

22.8

22.9

23.0

23.1

23.2

23.3

23.4

3/6 12:30 3/6 13:30 3/6 14:30 3/6 15:30 3/6 16:30 3/6 17:30

Tem

pera

tura

(ºC

)

Data (dia-mês hora)

Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6 Sensor 7

94

Anexo E – Cálculo do Coeficiente U Em Janelas

E.1 REH e Simplificado

Os valores do coeficiente U das janelas, considerados por Uw para os métodos REH e Simplificado

foram detirados da publicação do LNEC [35]. Este coeficiente é determinado pela equação geral (e.1),

[25] e [35], em que:

𝑈𝑤 =1

𝑅𝑠𝑖 + ∑ 𝑅𝑗 + 𝑅𝑠𝑒𝑗

(e.1)

Uw - coeficiente de transmissão térmica da janela (W.m-2.ºC-1);

Rj - resistência térmica da camada j (m2.ºC.W-1);

Rsi - resistência térmica superficial interior (m2.ºC.W-1); e

Rse - resistência térmica superficial exterior (m2.ºC.W-1).

Por sua vez, as resistências térmicas superficiais obtêm-se a partir da equação (e.2), com:

𝑅𝑛 =1

ℎ𝑐 + ℎ𝑟

(e.2)

Rn - resistência térmica superficial n (m2.ºC.W-1);

hc - coeficiente de transmissão térmica por condução e convecção (W.m-2.ºC-1); e

hr - coeficiente de transmissão térmica de calor por radiação (W.m-2.ºC-1).

Os valores do coeficiente de Uw em questão pressupõem resistências térmicas superfíciais de

0.04 m2.ºC.W-1 para o exterior e de 0.13 m2.ºC.W-1 para o interior. A resistência térmica superficial

exterior (Rse) é determinada através da equação (e.3), em que:

ℎ𝑒 = 10,0 + 4,1 × 𝑣

(e.3)

he - coeficiente de transmissão térmica exterior, por condução, convecção e radiação (W.m-2.ºC-1); e

v - velocidade do vento (3.2 m.s-1).

Em relação à resistência térmica superficial interior (Rsi), esta foi determinada em condições de vidro

corrente e convecção natural [35]. Desta forma, o valor do coeficiente Uw utilizado por estes dois

métodos é considerado constante e independente de condições externas.

E.2 EnergyPlus

O EnergyPlus, por sua vez, não considera os mesmos presupostos, na medida em que este método

subtrai o valor das resistências térmicas padrão (Rse - 0.04 e Rsi - 0.13 m2.ºC.W-1) ao coeficiente Uw

fornecido pelo utilizador, determinando novos valores de resistências em função das condições

exteriores e interiores horárias. Este método, utiliza ainda diferentes algoritmos para o cálculo das

resistências no exterior e no interior em função de determinadas correlações. Neste trabalho, ao longo

de todas as simulações realizadas, foram utilizados os algoritmos recomendados pelo software,

95

nomeadamente o DOE-2 (utiliza correlações por dados experimentais de Klems e Yazdanian para

superficies rugosas) e TARP (utiliza correlações de modelos desenvolvidos pela ASHRAE, por Walton

e Sparrow) para o cálculo das resistências térmicas superficiais exterior e interior, respectivamente.

Com o intuito de identificar os parâmetros que mais influenciam estas resistências no EnergyPlus,

realizou-se um estudo específico ao Caso de Estudo 2. Neste estudo, confirmou-se que, como já

referido, o valor das resistências dependem principalmente da velocidade de escoamento do ar (vento

no exterior e correntes de ar no interior) e da temperatura do ar, assim como, adicionalmente,

dependem do tipo de janelas (vidro simples ou vidro duplo). Este software distingue automaticamente

entre janelas de vidro simples ou de vidro duplo, em função do valor do coeficiente Uw. Uma vez que

as condições de velocidade do ar e de temperatura variam ao longo do dia, os valores de resistência

térmica superficial também variam ao longo do mesmo, tanto a resistência exterior, como a interior da

superficie da fachada.

96

Referências

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[2] International Energy Agency, "Special Report - World Energy Investment Outlook," 2014.

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2011.

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DGEG, 2013.

[13] ISO EN 13790, "Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating

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[14] RCCTE, "Decreto-Lei 80/2006 - Regulamento das Características de Comportamento Térmico

dos Edifícios," Diário da República, I série - A, 2006.

[15] REH, "Decreto-Lei 118/2013 - Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação," Diário da

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[17] H. Almeida, "Dissertação de Mestrado - Análise do Conforto Térmico de Edifícios utilizando as

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[19] A. Pinto, "Dissertação de Doutoramento - Aplicação da avaliação de ciclo de vida à análise

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[21] R. Leslie, "Capturing the daylight dividend in buildings: why and how?," Building and Environment,

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[22] "Decreto-Lei n.º9/2007 - Publicado no DR 12, Série I de 2007-01-17," 2007.

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[28] A. Pinto, "Aplicação LNEC - Ventilação REH e RECS - Ferramenta de Cálculo Excel," LNEC,

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determination of air permeability of buildings - fan pressurization method (ISO 9972:1996

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[33] A. Rebelo, "Dissertação de Mestrado - Optimização e Dimensionamento de Vãos Envidraçados,"

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[34] C. Santos and L. Matias, "ITE -50-2006; Coeficientes de Transmissão Térmica de Elementos da

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[35] LNEC and I. Edifícios, Comportamento Térmico de Caixilharia Exterior - Coeficientes de

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[36] ADENE, "Nota Técnica NT-SCE-01 - Método de cálculo simplificado para a certificação energética

de edifícios existentes no âmbito do RCCTE," 2008.

[37] M. Mário, "Caracterização Experimentál e Numérica do Desempenho Térmico de um Edifício

"Gaioleiro"," ISEL, Janeiro de 2013.

[38] European Comission, "Guidelines accompanying Commission Delegated Regulation (EU) No

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[39] C. Faustino, "Dissertação de Mestrado - Influência dos Vãos Envidraçados do Desempenho

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[41] Onset Computer Corporation, "HOBO U10 Temp/RH Data Logger (Part # U10-003)," 2012.

[42] LNEG, "CLIMAS-SCE 1_05," 2014.

[43] "Decreto-Lei 118/2013 - Desempenho energético dos edifícios de habitação," Diário da República,

I série - A, 2013.

[44] The Energy Conservatory and Diagnostic Tools to Measure Building Performance, Minneapolis

Blower DoorTM - Operation Manual for Model 3 and Model 4 Systems, Minneapolis, 2012.

avaliação do potencial de reabilitação de vãos ... · orientador: prof. paulo manuel cadete...

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