Reduo do Consumo de Energia de Origem Fssil e

da Emisso de CO2 no Sector da Construo

lvaro Gomes Pereira

Dissertao para a obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Jri

Presidente: Prof. Doutora Ana Paula Ferreira Pinto

Orientador: Prof. Doutor Pedro Manuel Gameiro Henriques

Vogal: Prof. Doutora Maria Cristina de Oliveira Matos Silva

Junho de 2013

ii

iii

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer aos meus pais, por toda a sua pacincia, carinho e

sobretudo motivao que sempre me transmitiram ao longo de todo o meu percurso no Instituto

Superior Tcnico.

Ao Professor Doutor Pedro Henriques tambm o meu obrigado, no s por toda a sua

disponibilidade, amizade, simpatia e conselhos, mas tambm por todo o entusiasmo que

revelou relativamente ao tema deste trabalho. No poderia ter tido melhor orientao na

elaborao desta dissertao.

Ao Nuno e ao Patronilo, pela sua amizade desde os nossos cinco anos e por terem estado

sempre ao meu lado, mesmo nos momentos mais difceis.

Finalmente para a Sara, pelo seu exemplo e pela sua voz de incentivo que me acompanhou

sempre ao longo destes anos acadmicos. Obrigado por teres acreditado sempre em mim, foi

um privilgio ter partilhado contigo todas as horas de estudo, todas as pausas de estudo e

todas as expectativas e sonhos que sentimos durante a nossa formao, no s como

engenheiros mas tambm como seres humanos.

A todos o meu muito obrigado

iv

v

Resumo

Este trabalho visa o estudo da reduo do impacto ambiental do sector da construo civil,

sendo este o que exige um maior consumo energtico de origem fssil e de recursos naturais

finitos. Esta reduo estudada de acordo com trs pontos fundamentais: climatizao natural

das edificaes, utilizao de sistemas de produo de energias renovveis e utilizao de

materiais de construo sustentveis.

So abordados, numa primeira fase, os diferentes sistemas passivos e a linha de pensamento

da Biomimtica como formas de climatizar naturalmente as construes, os diferentes sistemas

de produo de energias renovveis e de que forma estes se incorporam nas edificaes, e

finalmente a madeira e a cortia enquanto materiais de construo de elevada

sustentabilidade.

Numa segunda e ltima fase, so apresentados trs casos de estudo de edifcios que colocam

em prtica as matrias abordadas.

As principais concluses a reter so que a climatizao natural permite uma grande reduo do

consumo energtico de origem fssil e consequentes emisses de dixido de carbono (CO2), o

principal e mais nocivo dos gases de efeito de estufa (GEE). E sta reduo tambm obtida

pela utilizao de energias renovveis como alternativa energtica limpa e livre de resduos e a

utilizao da madeira e cortia enquanto materiais de construo, no apenas devido

eficincia de isolamento trmico que permitem, mas sobretudo devido capacidade nica que

ambas possuem em reter o CO2 da atmosfera durante a sua vida til.

Palavras-Chave: Climatizao Natural, Energias Renovveis, Materiais Sustentveis.

vi

vii

Abstract

This work aims to study how the environmental impact of the construction industry can be

reduced, being this industry the one that requires a higher fossil based energy and limited

natural resources consumption.

This reduction is studied according to three fundamental points: natural heating and cooling of

buildings, the use of renewable energy production systems and the use of sustainable

construction materials.

The first part will deal with all the different existing passive systems and Biomimicry as ways to

obtain a natural heating and cooling, as well as how the existing renewable energy systems can

be incorporated in the constructions and what will be the sustainable gain of using timber and

cork as constructive materials.

Secondly and finally, three case studies that put into practice the covered topics will be

presented.

The main conclusions are that a natural heating and cooling allow a great reduction in fossil

based energy consumption as well as the correspondent carbon dioxide (CO2) emissions,

being this reduction also achieved by using renewable energy as an alternative energy source

and by using timber and cork as construction material, not only due to their thermal insulation

efficiency but mostly due to their unique ability to retain CO2 from the atmosphere.

Keywords: Natural Heating and Cooling, Renewable Energy, Sustainable Materials

viii

ix

ndice

Agradecimentos ......................................................................................................................... iii

Resumo ........................................................................................................................................ v

Abstract ...................................................................................................................................... vii

ndice de Tabelas ...................................................................................................................... xii

ndice de Grficos .................................................................................................................... xiii

ndice de Figuras ...................................................................................................................... xiv

ndice de Abreviaturas ........................................................................................................... xviii

1. Introduo ................................................................................................................................ 1

1.1. Consideraes Inicias ........................................................................................................ 1

1.2. Objectivos Propostos e Estrutura ....................................................................................... 3

1.3. Metodologia Utilizada ......................................................................................................... 5

2. Climatizao Natural de Edifcios .......................................................................................... 7

2.1. Sistemas Passivos de Climatizao ................................................................................. 8

2.1.1. Sistemas Passivos de Aquecimento ......................................................................... 10

2.1.1.1. Ganho Directo ..................................................................................................... 10

2.1.1.2. Ganho Indirecto ................................................................................................... 11

2.1.1.2.1. Paredes de Trombe ...................................................................................... 11

2.1.1.2.2. Paredes e Cobertura de gua ...................................................................... 13

2.1.1.2.3. Pavimento de Armazenamento Trmico ....................................................... 14

2.1.1.3. Ganho Isolado ..................................................................................................... 15

2.1.1.3.1. Estufas .......................................................................................................... 15

2.1.1.3.2. Sistemas de Termossifo .............................................................................. 16

2.1.2. Sistemas Passivos de Arrefecimento ........................................................................ 17

2.1.2.1. Ventilao Natural ............................................................................................... 18

2.1.2.2. Chamin e Cmara Solar .................................................................................... 18

2.1.2.3. Aspiradores Estticos .......................................................................................... 19

2.1.2.4. Arrefecimento pelo Solo ...................................................................................... 20

2.1.2.5. Radiao Nocturna .............................................................................................. 20

2.2. Biomimtica ...................................................................................................................... 21

2.2.1. Exemplos da Biomimtica na Construo ................................................................. 22

2.2.1.1. Complexo Cultural Esplanade Theatre ............................................................... 22

2.2.1.2. Sistema de Ventilao Vawtex ............................................................................ 23

2.2.1.3. Eastgate Center .................................................................................................. 24

3. Sistemas de Produo de Energias Renovveis ............................................................... 27

3.1. Energia Solar .................................................................................................................... 28

3.2. Energia Elica ................................................................................................................. 30

x

3.3. Energia Hdrica ................................................................................................................ 32

3.4. Energia da Biomassa ...................................................................................................... 34

3.5. Novos Sistemas de Energias Renovveis ...................................................................... 35

Fotossntese Artificial ...................................................................................................... 35

4. A Madeira como Material de Construo Estrutural ......................................................... 39

4.1. Fisiologia da rvore e Produo de Madeira ................................................................... 39

4.2. Propriedades Naturais da Madeira................................................................................... 41

4.2.1. Contribuio para a reduo de CO2 na Atmosfera .................................................. 42

4.2.2. Recurso Renovvel .................................................................................................... 42

4.3. Resistncia Mecnica da Madeira ................................................................................... 44

Resistncia Compresso .............................................................................................. 44

Resistncia Traco ...................................................................................................... 45

Resistncia ao Corte ........................................................................................................ 45

Resistncia Flexo ........................................................................................................ 45

4.4. Factores que Influenciam a Resistncia da Madeira ....................................................... 45

4.4.1. Teor de Humidade ...................................................................................................... 46

4.4.2. Inclinao do Fio ........................................................................................................ 46

4.4.3. Tempo de Actuao de Cargas.................................................................................. 46

4.4.4. Defeitos ...................................................................................................................... 47

4.5. A Madeira como Material Sustentvel.............................................................................. 47

4.5.1. Energia Incorporada ................................................................................................... 48

4.5.2. Poupana Energtica ................................................................................................. 50

4.5.3. Potencial de Reutilizao e Reciclagem .................................................................... 52

4.6. Produtos Derivados da Madeira ....................................................................................... 52

4.6.1. Contraplacados .......................................................................................................... 53

4.6.2. Aglomerados de Partculas Longas e Orientadas ...................................................... 54

4.6.3. Painis de Madeira Lamelada Colada ....................................................................... 54

4.7. Durabilidade ..................................................................................................................... 55

4.8. Comportamento ao Fogo ................................................................................................. 56

Reaco ao Fogo ............................................................................................................. 57

Resistncia ao Fogo ......................................................................................................... 58

4.9. Proteco da Madeira ao Fogo ........................................................................................ 60

Proteco com Retardantes de Fogo............................................................................... 60

Sistemas de Proteco Mecnica .................................................................................... 61

4.10. Comportamento Ssmico ................................................................................................ 61

5. A Cortia como Material de Isolamento Trmico Sustentvel ......................................... 63

5.1. Estrutura e Propriedades da Cortia ................................................................................ 64

5.2. A Cortia como Recurso Natural Sustentvel .................................................................. 66

xi

5.3. Peso da Cortia na Economia Nacional ........................................................................... 67

5.4. Produtos Baseados em Cortia na Construo ............................................................... 67

5.4.1.Placas de Aglomerados Compostos de Cortia .......................................................... 68

5.4.2.Placas de Aglomerados Expandidos de Cortia ......................................................... 69

5.5. Estudo de Sustentabilidade das Placas de Aglomerados Expandidos de Cortia .......... 72

5.5.1.Extraco da Matria Prima ........................................................................................ 72

5.5.2.Processos de Produo .............................................................................................. 73

5.5.3.Utilizao ..................................................................................................................... 75

5.5.4.Reutilizao/Reciclagem ............................................................................................. 75

6. Casos de Estudo ................................................................................................................... 77

6.1. Edifcio Solar XXI.............................................................................................................. 77

6.1.1.Caracterizao do Edifcio .......................................................................................... 79

6.1.2.Detalhes Construtivos ................................................................................................. 80

6.1.3.Comportamento Trmico ............................................................................................. 81

6.1.4.Sistemas Fotovolticos ............................................................................................... 82

6.1.5.Aquecimento do Edifcio .............................................................................................. 83

6.1.6.Arrefecimento do Edifcio ............................................................................................ 85

6.1.7.Iluminao Natural ...................................................................................................... 88

6.2. Edifcio Stadthaus Murray Grove ..................................................................................... 89

6.2.1.Descrio Estrutural e Construtiva .............................................................................. 90

6.2.2.Isolamento Trmico e Acstico ................................................................................... 92

6.2.3.Comportamento ao Fogo ............................................................................................ 93

6.2.4.Vantagens Comparativamente com outras Solues ................................................. 93

6.3. Pavilho de Portugal na Expo Shangai 2010 ................................................................... 94

7. Consideraes Finais ........................................................................................................... 97

8. Referncias Bibliogrficas ................................................................................................... 99

xii

ndice de Tabelas

Captulo 4

Tabela 4.1 Valores da condutibilidade trmica da madeira e outros materiais ...................... 50

Tabela 4.2 Classes portuguesas de reaco dos materiais ao fogo ...................................... 57

Tabela 4.3 Comparao entre as classes de reaco ao fogo portuguesas e europeias ...... 58

Captulo 5

Tabela 5.1 Constituintes qumicos da cortia ......................................................................... 66

Tabela 5.2 Massas volmicas das placas de cortia consoante a sua finalidade .................. 68

Tabela 5.3 Caractersticas mdias do aglomerado de cortia expandida .............................. 71

Captulo 6

Tabela 6.1 Composio do pavimento e valores de isolamento acstico e vibrtico ............. 92

xiii

ndice de Grficos

Captulo 1

Grfico 1.1 Distribuio do consumo energtico por sector de actividade ................................ 1

Captulo 2

Grfico 2.1 Distribuio do consumo energtico por actividades domsticas .......................... 7

Captulo 4

Grfico 4.1 Distribuio mundial das reas florestais ............................................................. 43

Grfico 4.2 Distribuio do consumo energtico do ciclo de vida das construes ............... 49

Captulo 5

Grfico 5.1 Distribuio da produo mundial de cortia ....................................................... 67

xiv

ndice de Figuras

Captulo 1

Figura 1.1 Esquema dos campos dissertados ........................................................................... 3

Captulo 2

Figura 2.1 Ganho directo ......................................................................................................... 10

Figura 2.2 Ganho indirecto ...................................................................................................... 11

Figura 2.3 Parede de trombe ventilada e esquema do seu funcionamento ........................... 12

Figura 2.4 Cobertura de gua ................................................................................................. 14

Figura 2.5 Pavimento de armazenamento trmico ................................................................. 15

Figura 2.6 Ganhos isolados por estufa .................................................................................... 16

Figura 2.7 Sistema de termossifo ......................................................................................... 16

Figura 2.8 Chamin Solar ....................................................................................................... 18

Figura 2.9 Cmara solar numa cobertura ............................................................................... 19

Figura 2.10 Aspirador esttico ................................................................................................ 19

Figura 2.11 Arrefecimento pelo solo ........................................................................................ 20

Figura 2.12 Vista exterior do edifcio Esplanade...................................................................... 22

Figura 2.13 Vista interior do edifcio ........................................................................................ 22

Figura 2.14 Fruto durian .......................................................................................................... 22

Figura 2.15 Pormenor do sombreamento exterior .................................................................. 22

Figura 2.16 Vista do sistema de sombreamento pelo interior .................................................. 23

Figura 2.17 Sistema Vawtex ................................................................................................... 24

Figura 2.18 Sementes do fruto smara ................................................................................... 24

Figura 2.19 Edifcio Eastgate Center ...................................................................................... 24

Figura 2.20 Vista interior do edifcio ........................................................................................ 24

Figura 2.21 Chamin solar do edifcio e ninho de trmitas ...................................................... 25

Figura 2.22 Comparao da estrutura interior do ninho de trmitas com a do edifcio .......... 26

Captulo 3

Figura 3.1 Painis fotovoltaicos .............................................................................................. 28

Figura 3.2 Aplicao de painis fotovoltaicos numa cobertura ............................................... 28

Figura 3.3 Colectores solares ................................................................................................. 29

Figura 3.4 Sistema de funcionamento de colectores solares ................................................. 29

Figura 3.5 Torres elicas ......................................................................................................... 30

Figura 3.6 Componentes de uma torre elica ......................................................................... 30

Figura 3.7 Vista exterior da sede da Oklahoma Medical Research Foundation ..................... 31

xv

Figura 3.8 Turbinas elicas na cobertura ................................................................................ 32

Figura 3.9 Instalao das turbinas .......................................................................................... 32

Figura 3.10 Barragem .............................................................................................................. 32

Figura 3.11 Componentes de uma turbina hidrulica ............................................................. 32

Figura 3.12 Turbina da Ibasei .................................................................................................. 33

Figura 3.13 Ciclo da Biomassa enquanto fonte energtica .................................................... 34

Figura 3.14 Recuperador de calor e sua aplicao numa habitao....................................... 35

Figura 3.15 Clula solar para fotossntese artificial ................................................................ 36

Figura 3.16 Funcionamento da clula ..................................................................................... 36

Captulo 4

Figura 4.1 Floresta ................................................................................................................... 40

Figura 4.2 rvore ..................................................................................................................... 40

Figura 4.3 Seco transversal de um tronco de rvore .......................................................... 40

Figura 4.4 Floresta .................................................................................................................. 43

Figura 4.5 Principais direces relativamente s fibras da madeira ....................................... 44

Figura 4.6 Ciclo de vida da madeira na construo ................................................................. 48

Figura 4.7 Contraplacado ........................................................................................................ 53

Figura 4.8 Detalhe da seco transversal de um contraplacado ............................................ 53

Figura 4.9 Painel OSB ............................................................................................................. 54

Figura 4.10 Aplicao em acabamentos interiores ................................................................. 54

Figura 4.11 Painis de madeira lamelada colada .................................................................... 55

Figura 4.12 Templo Kiyoumizu-dera ....................................................................................... 55

Figura 4.13 Ensaio da IVALSA propagao do fogo em edifcios de madeira .................... 59

Figura 4.14 Ensaio da IVALSA ao comportamento ssmico de um edifcio de madeira ........ 62

Captulo 5

Figura 5.1 Sobreiro .................................................................................................................. 64

Figura 5.2 Cortia ..................................................................................................................... 64

Figura 5.3 Esquema do crescimento da cortia no sobreiro (seco transversal) ................. 65

Figura 5.4 Estrutura microscpica da cortia .......................................................................... 65

Figura 5.5 Painis de linleo ................................................................................................... 69

Figura 5.6 Aplicao de painis de linleo em pavimento ...................................................... 69

Figura 5.7 Painis de corkrubber ............................................................................................. 69

Figura 5.8 Placas ICB ............................................................................................................. 70

Figura 5.9 Aplicao como isolamento trmico pelo exterior .................................................. 70

Figura 5.10 Extraco da cortia ............................................................................................ 72

Figura 5.11 Etapas da produo das placas de aglomerados de cortia expandida ............. 74

xvi

Captulo 6

Figura 6.1 Edifcio solar XXI ..................................................................................................... 77

Figura 6.2 Planta do Edifcio Solar XXI ................................................................................... 79

Figura 6.3 Fachada Norte e Oeste .......................................................................................... 79

Figura 6.4 Planta com orientao das fachadas ...................................................................... 79

Figura 6.5 Construo dos panos de alvenaria do edifcio ..................................................... 80

Figura 6.6 Colocao do isolamento trmico na cobertura do edifcio .................................... 80

Figura 6.7 Fachada Sul do edifcio ......................................................................................... 81

Figura 6.8 Painis fotovoltaicos incorporados na fachada ...................................................... 82

Figura 6.9 Colectores solares na cobertura ............................................................................ 82

Figura 6.10 Sistema de painis fotovoltaicos no parque de estacionamento ......................... 83

Figura 6.11 Exterior da parede de trombe ............................................................................... 83

Figura 6.12 Interior da parede de trombe ............................................................................... 83

Figura 6.13 Funcionamento da parede de trombe para aquecimento .................................... 84

Figura 6.14 Esquema de funcionamento da chamin solar central ........................................ 86

Figura 6.15 Detalhe dos orifcios de ventilao nas portas .................................................... 86

Figura 6.16 Funcionamento da parede de trombe para arrefecimento ................................... 87

Figura 6.17 Poo de alimentao ........................................................................................... 87

Figura 6.18 Sistema de arrefecimento pelo solo ..................................................................... 87

Figura 6.19 Conexo das tubagens s coretes ...................................................................... 88

Figura 6.20 Sadas de ventilao para entrada do ar .............................................................. 88

Figura 6.21 Iluminao natural no poo de escadas ............................................................... 89

Figura 6.22 Iluminao natural pela clarabia ......................................................................... 89

Figura 6.23 Stadthaus Murray Grove ...................................................................................... 89

Figura 6.24 Estrutura do edifcio por camadas ........................................................................ 89

Figura 6.25 Caixa de escadas ................................................................................................. 90

Figura 6.26 Caixa para elevador .............................................................................................. 90

Figura 6.27 Assemblagem dos painis CLT durante a obra ................................................... 91

Figura 6.28 Detalhe das ligaes metlicas entre placas CLT ............................................... 91

Figura 6.29 Composio transversal do pavimento ................................................................ 92

Figura 6.30 Construo do edifcio com recurso a guindastre mvel ..................................... 94

Figura 6.31 Vista exterior do pavilho ..................................................................................... 95

Figura 6.32 Revestimento exterior em ICB .............................................................................. 95

xvii

ndice de Abreviaturas

ANPC Autoridade Nacional de Proteco Civil

CLT Cross Laminated Timber

FAPESP Fundao de Amparo Pesquisa do Estado de So Paulo

FR Fire Retardant

FSC Forest Stewardship Council

GEE Gases de Efeito de Estufa

ICB Insulation Cork Board

INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Informao

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

IVALSA Istituto per la Valorizzazione del Legno e delle Specie Arboree

LNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil

PEFC Programme for the Endorsement of Forest Certification

PVC Policloreto de Vinil

RCCTE Regulamento das Caractersticas de Comportamento Trmico dos Edifcios

RGSCIE Regulamento Geral de Segurana Contra Incndios

RSECE Regulamento dos Sistemas Energticos de Climatizao em Edifcios

OSB Oriented Strand Board

SCIE Segurana Contra Incndios

xviii

1

1. Introduo

1.1. Consideraes Iniciais

De acordo com o Quarto Relatrio de Avaliao elaborado pelo Painel Intergovernamental das

Alteraes Climticas (IPCC) e apresentado em 2007 (Solomon et al, 2007), o crescente

aumento da concentrao de Gases de Efeito de Estufa (GEE), provocaro um aquecimento

do planeta entre 1,8 a 4C at ao final do sculo. Este documento prev ainda que devido a

este aumento de temperatura, no s o nvel do mar poder subir at 58 cm, roubando desta

forma enormes pores de terra, como as consequentes secas e ondas de calor podero

provocar grandes e gravosas redues na produo de alimentos afectando, por exemplo, o

cultivo de cereais.

O Homem, em toda a sua actividade industrial, um dos maiores responsveis por este

aquecimento global e gradual destruio do planeta. Enormes quantidades de recursos

naturais so consumidos para que se alimente a crescente produo de bens de cada um dos

diferentes sectores de actividade, correspondendo todo este processo a elevadas emisses de

dixido de carbono (CO2), um dos principais e mais nocivos gases de efeito de estufa.

Como tal absolutamente necessrio que exista um esforo global e em todos os sectores de

actividade para que se pare com este consumo desenfreado de recursos naturais limitados,

que se pare com este desenvolvimento desprovido de lgica e sustentabilidade, que se pare

com a destruio do nosso maior e mais precioso bem, o planeta terra, o nosso planeta.

O sector da construo civil um dos grandes responsveis por esta degradao ambiental

crescente, sendo que o seu impacto ambiental transversal a todas as fases de vida das

construes.

De acordo com dados referentes Unio Europeia, este mesmo o sector de actividade que

mais energia de origem fssil consome (Europa, 2012), sendo que este consumo representa

elevadas emisses de CO2 para a atmosfera (Grfico 1.1).

Grfico 1.1 Distribuio do consumo energtico por sector de actividade (Europa, 2012)

Este elevado consumo energtico traduz-se numa tambm elevada emisso de CO2 para a

atmosfera. Alguns estudos indicam que, nas grandes capitais europeias, este sector

40,40%

28,30%

31,30%

Sector da Construo

Indstria

Transporte

2

responsvel por cerca de 25% do valor anual total de emisses deste gs (Giaconia et al.,

2010).

Tambm na explorao de recursos naturais limitados, este sector assume um pesado fardo

ambiental, sendo responsvel por 20 a 50% do consumo dos recursos naturais disponveis no

planeta (Andreis et al., 2009).

Tem-se ento que, desde o consumo de recursos naturais limitados para produo dos

materiais de construo, passando pelo elevado consumo energtico que estas representam

durante a sua utilizao, at ao fim da sua vida til, onde so geradas enormes quantidades de

resduos, muito se pode fazer para reduzir a pegada de carbono deste sector.

Esta dissertao aborda trs pontos cruciais para um ganho de sustentabilidade das

edificaes:

Climatizao natural das edificaes como forma de reduzir o consumo energtico

associado climatizao artificial das mesmas;

Utilizao de sistemas de produo de energias renovveis, incorporadas nas

edificaes, como alternativa limpa e livre de resduos poluentes energia de origem

fssil;

Recurso a materiais sustentveis, com baixa energia incorporada, provenientes de

fontes renovveis e com elevadas possibilidades de reutilizao ou reciclagem.

A climatizao natural das edificaes pode ser efectuada, quer pelos designados sistemas

passivos de climatizao, quer por uma nova linha de pensamento na construo designada

por Biomimtica. Ambas utilizam os diferentes princpios de transferncia de calor entre os

materiais para o aquecimento ou arrefecimento dos espaos interiores das construes. Evita-

se desta forma o recurso a uma climatizao artificial que exige um elevado consumo

energtico.

Os sistemas de produo de energias renovveis permitem a obteno de uma energia limpa e

sem emisses de CO2. O recurso energia solar, elica, hdrica, de biomassa e mesmo a

novas formas de energias renovveis, tais como a fotossntese artificial, apresenta-se como

uma alternativa sustentvel energia de origem fssil.

Finalmente, a utilizao da madeira e da cortia como materiais de construo, permite uma

enorme reduo do impacto ambiental das edificaes, no s por estes provirem de fontes

renovveis que se encontram em constante crescimento (as florestas e os montados de sobro),

mas tambm pela sua capacidade nica de reter CO2 na sua estrutura. So tambm materiais

com uma baixa energia incorporado e com um excelente comportamento trmico, o que

permite tambm reduzir o recurso climatizao artificial.

Que se estude, que se discuta, que se promova a questo da sustentabilidade, que se use toda

a sapincia humana para reequilibrar a balana natural do planeta, no apenas pelas actuais

mas por todas as futuras geraes.

If you tolerate this, then your children will be next Manic Street Preachers

3

1.2. Objectivos Propostos e Estrutura

A presente dissertao apresenta um objectivo muito claro: o estudo da reduo da pegada

ambiental das edificaes por climatizao natural, recurso a energias renovveis e utilizao

de materiais sustentveis.

Figura 1.1 Esquema dos campos dissertados

Como tal, esta, para cada um dos domnios referidos, prope-se a:

Climatizao Natural Estudar os diferentes sistemas passivos de climatizao

natural e o seu funcionamento, assim como introduzir o conceito da Biomimtica

aplicada construo;

Recurso a energias renovveis Demonstrar o funcionamento e rendimento de

sistemas de produo de energia solar, elica, hdrica e de biomassa, fazendo tambm

referncia a uma possvel aplicao da tecnologia de fotossntese artificial no sector da

construo;

Utilizao de materiais sustentveis Estudar as caractersticas mecnicas e

sustentveis da madeira, como material estrutural alternativo ao beto armado e ao, e

da cortia como isolante trmico, alternativo aos habituais isolantes sintetizados.

4

A anlise do ganho de sustentabilidade dos pontos anteriores ser enquadrada nas respectivas

fases da vida das construes em que cada um interfere, e em que possibilitam uma reduo

do impacto ambiental das mesmas.

A estrutura desta dissertao organiza-se, ento, segundo os seguintes captulos:

1. Introduo Presente captulo onde a temtica desta dissertao enquadrada e so

expostos os seus objectivos, estrutura e metodologia de trabalho utilizada na sua

elaborao;

2. Climatizao Natural de Edifcios Neste captulo sero aprofundados os principais

sistemas passivos de climatizao natural, descrevendo-se o seu funcionamento e aplicao

nas construes. Introduz-se tambm a temtica da Biomimtica, apresentando-se alguns

exemplos da sua aplicao na construo civil que permitiram obter grandes redues do

consumo energtico de origem fssil, para climatizao artificial;

3. Sistemas de Produo de Energias Renovveis Aqui sero descritos os princpios e

funcionamento dos sistemas de produo de energias renovveis das quatro principais

fontes naturais: a solar, a elica, a hdrica e a de biomassa, assim como a sua aplicabilidade

nas habitaes e rendimento que permitem obter. Ser tambm apresentado um novo e

promissor sistema, baseado na produo de energia atravs da fotossntese artificial;

4. A Madeira como Material de Construo Estrutural Sustentvel Neste captulo,

pretende-se demonstrar de que forma a madeira pode constituir uma alternativa sustentvel

e ecolgica enquanto material de construo estrutural aos mais vulgarmente utilizados

beto, ao e alumnio. Desta forma, depois de uma descrio deste material e das suas

caractersticas naturais e mecnicas, sero aprofundadas algumas das suas propriedades

que a tornam num material nico em termos ecolgicos, sendo realada a sua capacidade

de reteno de CO2, a sua baixa energia incorporada, a eficincia energtica que permite na

fase de utilizao das construes e finalmente o seu potencial de reutilizao/reciclagem.

Sero tambm abordados os principais produtos derivados da madeira e a melhoria em

termos de resistncia estrutural que permitem;

5. A Cortia como Material de Isolamento Trmico Sustentvel Depois de uma descrio

da estrutura e propriedades da cortia, sero aprofundadas as suas caractersticas

sustentveis, realando-se, tal como na madeira, a sua capacidade de reteno de CO2.

Sero descritos os principias produtos com base neste material sendo focado o caso das

placas de aglomerados expandidos de cortia e promovendo-se para este um estudo de

sustentabilidade que engloba todas as suas fases de vida enquanto material de construo;

6. Casos de Estudo Realiza-se neste captulo, o estudo e anlise de trs edifcios que

recorrem s opes construtivas e materiais defendidos ao longo desta dissertao.

Pretende-se demonstrar a reduo do recurso energia de origem fssil que os sistemas

passivos de climatizao natural e de produo de energias renovveis permitiram obter no

caso do edifcio solar XXI, o primeiro caso de estudo apresentado. Pretende-se tambm

apresentar as vantagens construtivas e poupana na emisso de CO2 que o Standthaus

Murray Grove atingiu pelo recurso madeira como material estrutural, demonstrando que a

construo em altura com este material j uma realidade vivel, tendo para isso

contribudo o aparecimento de um produto seu derivado, as placas de madeira lamelada

colada (CLT- cross laminated timber). Finalmente, o ultimo caso de estudo refere-se ao

pavilho de Portugal na exposio mundial de Shangai em 2010. Este um exemplo

demonstrativo da aplicabilidade da cortia como material de construo, principalmente

5

como revestimento exterior atravs das placas de aglomerados de cortia expandida (ICB-

insulation cork board);

7. Consideraes Finais Neste ltimo captulo sero apresentadas as principais concluses

retiradas de todos os assuntos dissertados.

1.3. Metodologia Utilizada

A elaborao deste trabalho assentou em duas fases distintas:

Uma primeira, correspondente ao terceiro, quarto e quinto captulo, onde existe uma

intensa pesquisa em diversos documentos, livros, dissertaes e na World Wide Web,

de forma a recolher informaes respeitantes aos tpicos propostos. Procurou-se

sempre apresentar dados concretos e quantificveis, comprovativos das posies

defendidas. Estes proveem de diversos estudos efectuados por entidades oficiais e

especialistas das matrias referidas, sendo por isso considerados como fidedignos;

Uma segunda fase, correspondente ao sexto captulo, onde se efectuou o estudo de

trs edificaes, o edifcio solar XXI, o Stadthaus Murray Grove e finalmente, o

pavilho portugus da exposio mundial de 2010 realizada em Shangai. Estes trs

casos de estudo, pretendem demonstrar de que forma os conhecimentos aprofundados

so colocados na prtica e quais os reais ganhos desta aplicao.

6

7

2. Climatizao Natural de Edifcios

A reduo do consumo energtico das edificaes, na fase de utilizao, uma das grandes

metas do sector da construo civil. Cada vez mais, ao entrarmos num espao comercial,

escritrio ou habitao, constatamos que estes espaos se encontram artificialmente

climatizados.

Os sistemas de climatizao artificial utilizados permitem um controlo total e exacto da

temperatura interior pretendida, representando no entanto, um enorme consumo energtico.

Tambm actividades como o aquecimento ou transporte de gua nas edificaes, a iluminao

dos espaos interiores e a utilizao de diversos aparelhos elctricos, tais como computadores,

televises, electrodomsticos, entre outros, representam uma grande parcela da fatia

correspondente ao consumo de energia na fase de utilizao dos edifcios actuais.

De acordo com dados de 2010, em Portugal, a fase de utilizao das edificaes corresponde

a cerca de 30% do total de consumo energtico, correspondendo este valor a uma emisso de

4,5 milhes de toneladas de C02 para a atmosfera (INE, I.P./DGEG, 2011).

Pode-se verificar no grfico 2.1 o peso que cada uma das diferentes actividades e

necessidades domsticas tem nesta fatia de consumo:

Grfico 2.1 Distribuio do consumo energtico por actividades domsticas (INE, I.P./DGEG, 2011)

Neste captulo sero abordadas duas formas de reduzir este consumo excessivo, recorrendo a

uma climatizao natural das edificaes. Uma delas refere-se utilizao de sistemas passivos

de climatizao e a outra por recurso a uma nova filosofia que comea a tornar-se influente no

sector da construo, a Biomimtica.

Tanto os sistemas passivos de climatizao como a Biomimtica so duas formas de

rentabilizar as condies atmosfricas envolventes das edificaes e os fenmenos de

transferncia de calor, para reduo do consumo energtico.

8

2.1. Sistemas Passivos de Climatizao

Um dos grandes desafios que se coloca a quem projecta uma edificao a sua climatizao e

ventilao, ou seja, o projectar de forma a permitir que a temperatura e a qualidade do ar nos

seus espaos interiores correspondam s designadas condies de conforto trmico e de boa

salubridade para os seus utilizadores.

Relativamente condio de conforto trmico, existem duas abordagens possveis, uma

utilizada quer pelo RCCTE (regulamento das caractersticas de comportamento trmico dos

edifcios), quer pelo RSECE (regulamento dos sistemas energticos de climatizao em

edifcios), que estipula uma temperatura do ar de 20C para a estao de aquecimento, o

inverno, e de 25C para a estao de arrefecimento, o vero (RCCTE, Captulo V Disposies

Transitrias, Artigo 16, Condies interiores de referncia, alnea a), e outra, designada por

adaptativa, que avalia o conforto necessrio em funo das condies ambientes exteriores da

zona de implementao da edificao e da prpria percepo trmica dos seus utilizadores

(Matias, 2010).

A abordagem adaptativa permite assim uma maior flexibilidade na avaliao e imposio de

valores limites da temperatura de conforto dos espaos interiores.

A respeito desta temtica o LNEC (Laboratrio Nacional de Engenharia Civil), realizou um

estudo, tendo como amostra uma vasta gama de diferentes tipos de edifcios localizados em

diferentes zonas climticas ao longo de Portugal. Este concluiu que as temperaturas de

referncia de conforto trmico utilizadas, 20 e 25C, no traduzem de forma rigorosa as reais

necessidades de conforto sendo que, de forma a poderem ser cumpridas, acabam por conduzir

a um excessivo consumo energtico (Matias, 2010).

Revelou tambm que a tolerncia dos utilizadores s temperaturas verificadas nos espaos

interiores dos edifcios depende muito da capacidade destes em adaptarem-se termicamente

s condies exteriores.

Esta adaptao permite uma maior abertura a uma climatizao natural dos edifcios, realizada

por recurso aos designados sistemas passivos de climatizao, que sero abordados de

seguida. Uma boa utilizao destes sistemas permite uma reduo significativa do consumo

energtico de um edifcio, sendo que o LNEC defende que a sua utilizao deve ser valorizada

e devidamente quantificada numa futura reviso da regulamentao trmica em Portugal

(Matias, 2010).

A definio de sistema passivo de climatizao a de todo o processo de arrefecimento ou

aquecimento de espaos interiores em edificaes que no represente consumo energtico.

Estes sistemas baseiam-se em princpios fsicos, tais como a radiao, a conduo e a

conveco trmicas, que podem ser caracterizados como:

A radiao trmica consiste na transmisso do calor acumulado nos elementos

constituintes da edificao para o seu ambiente envolvente, atravs de ondas

electromagnticas. No necessrio, portanto, o contacto fsico entre corpos para que

se efectue a transmisso de calor, sendo que este irradiado directamente do

elemento acumulador para o ar a aquecer (Moret, 2010);

9

A conduo trmica d-se entre dois elementos em contacto fsico ou entre diferentes

zonas de um mesmo elemento. Consiste na conduo de calor por transferncia de

energia cintica das molculas com temperatura mais elevada para as com

temperatura mais baixa. Este processo d-se em meios slidos e no implica o

transporte de matria para que se processem as trocas trmicas (Moret, 2010);

A conveco trmica consiste no deslocamento de uma massa de ar ou de lquidos.

Estes, quando aquecidos, apresentam uma densidade inferior ao seu estado normal, o

que propicia a sua ascenso e consequente formao de correntes de conveco de

calor (Moret, 2010).

Convm tambm abordar aqui trs propriedades dos materiais constituintes de uma edificao

que representam um importante factor na sua capacidade em pr em prtica os princpios

fsicos de trocas trmicas, acima mencionados. Como tal referem-se:

A emissividade trmica, que a capacidade que um corpo possui de emitir calor por

radiao. Quanto maior a emissividade de um corpo, mais calor este liberta por

radiao. Como tal, no que toca a necessidades de aquecimento, a utilizao de

elementos com grande emissividade torna-se um aspecto importante do projecto

construtivo e do planeamento de materiais a utilizar na edificao (Moret, 2010);

A inrcia trmica, que a capacidade que um elemento possui de armazenar energia

trmica na sua estrutura. Quanto maior a inrcia trmica de um material, mais calor

este consegue acumular. Desta forma, quando a temperatura exterior elevada, o

calor da proveniente para os espaos interiores das habitaes como que absorvido,

numa primeira instncia, pelos elementos construtivos, impedindo-se, desta forma, que

os espaos interiores das edificaes sofram um aumento excessivo da sua

temperatura do ar. Quando a temperatura exterior desce, como por exemplo durante o

perodo nocturno, o calor acumulado nos elementos libertado por radiao de forma

gradual para o meio envolvente, promovendo o aquecimento dos espaos interiores

nos perodos mais frios (Moret, 2010);

A condutibilidade trmica, que representa a permeabilidade de um material

passagem do calor pela sua estrutura, ou seja, a resistncia que este oferece

transmisso interna de calor atravs da sua estrutura. Um material com baixa

condutibilidade trmica representa um bom isolante trmico, visto que impede a

transmisso de calor do exterior para o interior do edifcio, no vero, assim como a

perda deste do interior para o exterior do mesmo, no inverno. A espessura do elemento

influncia tambm esta propriedade dos materiais e a capacidade que estes oferecem

enquanto isolantes trmicos (Moret, 2010).

ento por recurso aos princpios referidos e tomando especial ateno s propriedades

trmicas dos materiais utilizados que os sistemas passivos de climatizao permitem o

aquecimento ou arrefecimento de um edifcio.

Dentro dos sistemas passivos de climatizao, podemos distinguir dois gneros, os de

aquecimento e os de arrefecimento.

10

2.1.1. Sistemas Passivos de Aquecimento

No inverno necessrio promover o aquecimento dos espaos interiores das edificaes, por

forma a que estes ofeream condies de conforto trmico aos seus utilizadores.

Este aquecimento pode ser efectuado por recurso aos j referidos sistemas passivos de

aquecimento, de trs formas distintas: por ganhos solares directos, indirectos ou isolados

(Paul, 1979).

De referir que muitos dos sistemas estudados em seguida permitem tambm promover o

arrefecimento dos espaos interiores, apesar de o seu rendimento ser superior para o

aquecimento das edificaes.

2.1.1.1. Ganho Directo

Os sistemas passivos de aquecimento por ganho directo consistem num conjunto de opes

construtivas que permitem o aquecimento dos espaos interiores por incidncia directa da

radiao solar. Destas referem-se:

Figura 2.1 Ganho directo (Fabute, 2003)

Orientao a Sul da fachada com uma maior rea total e de envidraado. Desta forma,

maximiza-se a rea e a capacidade de absoro de radiao solar pelo edifcio, visto

que, no inverno, o nvel de radiao solar mximo nesta direco. Tambm o uso de

clarabias e lanternins na cobertura promove uma maior entrada de radiao solar,

permitindo no s o aquecimento, mas tambm uma boa luminosidade natural no

interior do edifcio (Mitj et al., 1986);

Um bom isolamento trmico dos espaos opacos das fachadas exteriores, e a

utilizao de vidros duplos permitem um maior controlo no que a perdas trmicas diz

respeito. Estes diminuem as trocas trmicas com o exterior e consequente perda de

calor. No caso dos vidros duplos, a lmina de ar existente entre os dois vidros, para

11

alm de reduzir as trocas trmicas por conveco, confere ainda uma reduo na

condutibilidade trmica verificada nos vidros simples. Alm, disso conferem isolamento

sonoro s divises, proporcionando conforto acstico aos utilizadores (Mitj et al,

1986);

Ao utilizao de cores claras nas paredes interiores do edifcio permite uma maior

reflexo da radiao solar para todo o espao interior e, consequentemente, a

distribuio de calor d-se de forma mais uniforme e abrangente. Neste caso, deve-se

tambm utilizar cores escuras nos pavimentos, no s para maximizar a absoro de

radiao, como tambm para que o calor seja armazenado a um nvel mais baixo (Mitj

et al., 1986).

2.1.1.2. Ganho Indirecto

Nos sistemas passivos de aquecimento por ganho indirecto, o calor acumulado em

elementos construtivos com boa inrcia trmica, sendo depois libertado para os espaos a

aquecer por radiao trmica ou por criao de correntes de conveco trmica (Figura 2.2). A

libertao de calor pelos elementos acumuladores feita de uma forma gradual e d-se

quando a temperatura do seu meio envolvente inferior verificada na sua estrutura.

Figura 2.2 Ganho indirecto (Fabute, 2003)

Como exemplos mais significativos destes sistemas, temos as paredes de trombe, as paredes

e coberturas de gua, e os pavimentos de armazenamento trmico (Construlink, 2006).

2.1.1.2.1. Paredes de Trombe

As paredes de trombe so constitudas por uma parede interior de material com boa inrcia

trmica, como pedra, beto ou terra compacta, por exemplo, uma superfcie exterior em

12

envidraado e uma caixa-de-ar com cerca de 5 a 20 cm, existindo duas variantes deste

sistema, as ventiladas e as no ventiladas (Mitj et al., 1986).

Nas paredes de trombe no ventiladas, o aquecimento obtido atravs da transferncia de

calor da face da parede interior para as divises a aquecer. Devido s altas temperaturas

geradas na caixa-de-ar, desenvolvem-se fluxos de calor que, por conduo trmica,

atravessam a parede. No perodo nocturno, o calor ai acumulado ento emitido gradual e

lentamente para os espaos interiores por radiao trmica. crucial que, neste perodo, se

utilize um sistema de ocluso exterior para minimizar as perdas trmicas (Mitj et al., 1986).

As paredes de trombe ventiladas, para alm da estrutura j descrita, possuem ainda orifcios

de termo-circulao, na parte superior e inferior, quer da parede interior, quer do envidraado

(Mitj et al., 1986).

Estes orifcios permitem que se criem correntes de conveco trmicas que, consoante a

necessidade, tanto podero ajudar no aquecimento como no arrefecimento dos espaos

interiores (Figura 2.3).

Figura 2.3 Parede de trombe ventilada e esquema do seu funcionamento (Gonalves e Mariz, 2004)

No inverno, os orifcios de termo-circulao da superfcie envidraada devem estar fechados

durante a noite e o dia para que se minimizem as perdas trmicas. Os orifcios da parede

interior devem estar abertos durante o dia para que se criem correntes de conveco, onde o

ar frio entra pelo orifcio inferior, aquecido na zona da caixa-de-ar da parede de trombe,

sendo libertado de volta para os espaos interiores pelo orifcio de termo-circulao superior.

Desta forma, o aquecimento conseguido no pela conduo do calor ao longo da parede e

radiao desta para o ambiente interior da diviso, como tambm pela criao destas correntes

de conveco trmicas do ar interior das divises.

Quando a radiao solar deixar de ter uma intensidade significativa, os orifcios de ventilao

da parede interior acumuladora de calor devem ser fechados para que se evite perdas de calor

13

por inverso da circulao do ar, e deve ser colocado o j referido sistema de ocluso exterior

no envidraado.

No vero, quer para o caso ventilado quer para o no ventilado, o envidraado deve ser

protegido por um sistema de sombreamento, para que se evitem ganhos trmicos em excesso.

No caso das paredes de trombe ventiladas, a abertura do orifcio inferior da parede interior e do

orifcio superior do envidraado favorece a ventilao das divises a arrefecer, isto durante o

dia. Durante a noite, ambos os orifcios do envidraado devem estar abertos para que se

proceda ao arrefecimento, quer da caixa-de-ar, quer da parede acumuladora de calor (Mitj et

al., 1986).

2.1.1.2.2. Paredes e Coberturas de gua

As paredes de gua tm um funcionamento semelhante ao das paredes de trombe, sendo que

nestas a gua o elemento acumulador de calor, estando contida em recipientes de colorao

escura para que se absorva o mximo de radiao solar.

Estes recipientes no devem ser totalmente preenchidos por gua, pois necessrio ter em

ateno a sua dilatao, aquando do seu aquecimento. Como tal, deve ser deixado

aproximadamente 10% do seu volume total vazio, para atender a este fenmeno (Mitj et al.,

1986)

Devido ao elevado calor especfico e grande capacidade condutora, a transferncia de calor

para os espaos interiores efectuada de forma muito mais rpida do que o verificado nas

paredes de trombe. Torna-se ento necessrio um controle mais apertado, com recurso a

isolamento mvel do sistema, para regrar e controlar a distribuio de calor para o interior do

edifcio (Mitj et al., 1986).

necessrio tambm prever condies em que a gua possa gelar, tais como no perodo de

inverno de muitos pases do norte e centro da Europa. Para tal, necessrio acrescentar

gua propilo-glicol, substncia que impede no apenas que esta gele, como tambm a protege

e evita o desenvolvimento de fungos. Tambm, caso o recipiente seja metlico, devem ser

acrescentados leos anti-corroso (Mitj et al., 1986).

Este sistema apresenta algumas vantagens relativamente s paredes de trombe. No s a

gua tem uma maior capacidade de armazenamento de calor que os materiais utilizados nas

paredes de trombe (cerca de dez vezes mais que alvenaria de tijolo furado e cinco vezes mais

que o beto), como tambm para a mesma quantidade de calor a acumular, necessita apenas

de, por exemplo, um quinto da massa do beto (Mitj et al., 1986).

Por outro lado, existe tambm o perigo de derrame da gua depositada, sendo ento

necessrio grande cuidado para que os reservatrios sejam totalmente estanques. Para alm

disto, a gua, ao dilatar sobre as paredes dos depsitos, provoca tambm um rudo ocasional

que se pode apresentar como um desconforto acstico para o utilizador.

Nas coberturas de gua (Figura 2.4), so colocados reservatrios de gua na cobertura do

edifcio. Estes reservatrios so, geralmente, em chapa metlica com tratamento anti-

humidade, para facilitar a transmisso de calor para o interior do edifcio por radiao. Eles

possuem tambm uma cobertura de isolamento trmico mvel, cuja funo a de no permitir

14

que o calor acumulado pela massa de gua se perca para o exterior durante a noite, quando a

temperatura exterior menor do que a verificada na gua.

O calor transmitido ento por radiao, sendo uma parte dele imediatamente libertado para

os espaos interiores, durante o dia e outra parte, que fica acumulada na massa, libertada

durante a noite (Fabute, 2003).

Figura 2.4 Cobertura de gua (Fabute, 2003)

Este sistema de aquecimento passivo pode tambm promover o arrefecimento do edifcio no

perodo de vero. O segredo para tornar este num sistema quer de aquecimento, quer de

arrefecimento, consiste na cobertura de isolamento trmico mvel, dos reservatrios onde se

encontra a gua (Mitj et al., 1986):

Durante o inverno, esta cobertura retirada, recebendo a gua energia trmica por

radiao solar. Esta energia ento irradiada para os espaos interiores do edifcio,

quer durante o dia, quer durante a noite, pois, parte do calor acumulado na massa

de gua e no libertado imediatamente. Nas noites de inverno, colocada a cobertura

mvel para que no existam perdas trmicas do reservatrio para o exterior;

Durante o vero, a cobertura mvel colocada durante o dia, no permitindo que a

radiao solar incida sobre a massa de gua. Como tal a temperatura da gua

inferior verificada quer no espao exterior, quer no interior. Desta forma d-se

transferncia de calor, do interior do edifcio para o reservatrio, refrigerando-se assim

os espaos interiores. Durante a noite a cobertura retirada e o calor acumulado

durante o dia libertado para o exterior.

2.1.1.2.3. Pavimento de Armazenamento Trmico

Os pavimentos de armazenamento trmico consistem num depsito de pedras, gua ou outro

material capaz de acumular calor, colocado debaixo do pavimento do compartimento a

climatizar (Figura 2.5).

15

necessria a incorporao de um sistema de captao solar, colocado preferencialmente na

direco a sul. O calor produzido pela radiao solar incidente neste sistema passa ento por

conveco natural at ao material acumulador de calor (Fabute, 2003).

Figura 2.5 Pavimento de armazenamento trmico (Fabute, 2003)

Nesta soluo tambm possvel, por recurso a um sistema de conveco forado, fazer

passar o ar interior pelo espao onde se localiza o material acumulador, no caso de este ser

slido como pedras, aquecendo-o. Este sistema de conveco forado seria conseguido por

colocao de aberturas regulveis que fariam comunicar o espao interior do edifcio com o

espao onde se d a acumulao de calor (Fabute, 2003).

A libertao de calor por este sistema mais lenta e gradual em termos de oscilao da

temperatura.

2.1.1.3. Ganho Isolado

Nos sistemas passivos de aquecimento por ganho isolado, o calor produzido e armazenado

em zonas independentes do resto do edifcio, como o caso das estufas ou dos sistemas de

termosifo. Nestes, o calor produzido nestas zonas transmitido aos espaos interiores, quer

por conduo e radiao do calor pela parede que separa estes dois espaos independentes,

quer por conveco trmica, quando existem orifcios de ventilao que estabelecem o

contacto entre ambos e permitem a circulao do ar (Construlink, 2006).

2.1.1.3.1. Estufas

As estufas so estruturas que podem ser compostas ou por envidraados ou por plstico em

membrana ou em painis. Elas produzem o chamado efeito de estufa que consiste na

permissividade passagem de radiao de comprimento de onda curto e barragem da sada

de radiao de comprimento de onda longo que emitida pelos elementos interiores da estufa,

tais como a laje do pavimento ou as paredes.

16

Figura 2.6 Ganhos isolados por estufa (Construlink, 2006)

O ar aquecido no interior da estufa depois, injectado no interior do edifcio por aberturas ou

por ventilao forada, como possvel verificar na figura 2.6 (isto quando a rea til do

edifcio muito superior rea de envidraado da estufa). Quando a proporo da superfcie

de vidro da estufa, em relao rea til de habitao, de 1/6 ou mais devem ser utilizadas

massas trmicas para que a variao de temperatura na estufa seja menos acentuada. Esta

uma soluo que se adequa a habitaes unifamiliares e no para edificaes de maior porte

(Mitj et al., 1986).

2.1.1.3.2. Sistemas de Termossifo

Os sistemas de termossifo so compostos por um captador trmico, cuja funo a de

aquecer o ar no interior de um compartimento. Este ar aquecido ento transferido para o

interior dos espaos a climatizar atravs de um circuito de condutas.

No interior destes compartimentos poderemos ter matria trmica, tal como um leito de britas.

Desta forma teremos tambm armazenamento de energia trmica nestes elementos, que

continuar a proporcionar um aquecimento dos espaos a climatizar mesmo durante o perodo

nocturno. (Mitj et al., 1986)

Figura 2.7 Sistema de termossifo (Fabute, 2003)

17

importante que se coloquem estes sistemas a um nvel inferior ao dos compartimentos a

climatizar, visto que o seu funcionamento baseia-se na ascenso do ar quente devido sua

menor densidade.

2.1.2. Sistemas Passivos de Arrefecimento

No vero, quando as temperaturas exteriores so elevadas, as necessidades das edificaes

alteram-se. Neste perodo, necessrio o arrefecimento dos espaos interiores e no o seu

aquecimento.

Existem diversas formas de proceder a este arrefecimento, assim como o de evitar ganhos

solares em excesso que provocam o aumento exagerado da temperatura interior.

Em primeiro lugar, no projecto e planeamento da edificao, devero ser tomadas algumas

opes construtivas que, bem aplicadas, podem promover uma temperatura dos espaos

interiores amena e confortvel para os seus utilizadores, mesmo quando a temperatura exterior

elevada. Entre estas podem-se referir:

Prestar especial ateno s fachadas Este e Oeste, que so as que no Vero sofrem

uma maior incidncia solar, procurando minimizar a rea total e de envidraados

destas. Desta forma reduzem-se os ganhos solares directos e por conveco dos

materiais.(Gonalves e Mariz, 2004);

Utilizar sistemas de sombreamento pelo exterior do envidraado, ao invs do interior.

Consegue-se desta forma um aumento da eficincia do arrefecimento, sendo que os

sistemas de sombreamento interiores reduzem apenas at 20% do consumo

energtico para o efeito (Schittich, 2001);

O recurso a vidros duplos permite uma reduo em cerca de 10% do consumo

energtico das habitaes, permitindo tambm uma maior insonorizao dos espaos

interiores (Gonalves e Mariz, 2004);

Utilizao de cores claras nas fachadas do edifcio que promovam a refraco da

radiao solar, tornando a acumulao de calor pelos elementos estruturais do edifcio

menor (Gonalves e Mariz, 2004).

Existem tambm sistemas passivos de arrefecimento que utilizam diferentes princpios para

proceder ao arrefecimento do edifcio, como a ventilao natural, o arrefecimento pelo solo ou

a radiao nocturna. Muitos dos sistemas passivos de aquecimento, como as paredes de

trombe ventiladas ou os sistemas de termossifo, possibilitam tambm o arrefecimento como

foi referido aquando da sua descrio.

18

2.1.2.1. Ventilao Natural

A ventilao natural, neste contexto, torna-se tambm uma forma de no s permitir a

qualidade de ar necessria para as edificaes, mas tambm promover a sada de ar quente

destas e a entrada de ar mais fresco. Solues como as chamins solares e aspiradores

estticos fazem parte dos sistemas passivos de arrefecimento e consistem na utilizao do

princpio da conveco natural para promover a sada de ar quente pelas zonas superiores dos

edifcios e a entrada de ar fresco por zonas inferiores, devido s diferentes densidades de

ambos. De entre os sistemas que utilizam este princpio de arrefecimento, referem-se as

chamins ou cmaras solares, os aspiradores estticos e a radiao nocturna (Gonalves e

Mariz, 2004).

2.1.2.2. Chamin e Cmara Solar

Estes sistemas baseiam-se no princpio do chamado efeito de chamin, onde o ar quente,

devido sua menor densidade, eleva-se. As chamins solares so zonas de elevada altura nos

edifcios onde existe comunicao entre todos os pisos. O ar quente do edifcio tende a subir

por estas estruturas e ser libertado para o exterior, promovendo a entrada de ar mais fresco

pelas aberturas inferiores do edifcio (Figura 2.8). Estes sistemas servem no s para

arrefecimento dos espaos interiores como tambm promove a ventilao do edifcio (Mitj et

al., 1986).

Figura 2.8 Chamin solar (Fabute, 2003)

importante, para que este sistema funcione, que a temperatura na zona superior da chamin

seja superior temperatura exterior, para que se efectue a libertao do ar quente do interior

do edifcio (Serra e Coch, 2004). Para tal, so utilizadas cmaras na zona superior que

possuem captadores de cor escura, para que se promova a absoro de calor nessa zona

(Figura 2.9). O ar, nesta cmara ento aquecido e libertado para o exterior, criando o efeito

de suco que permite a entrada de ar mais fresco pelas aberturas inferiores do edifcio.

19

Figura 2.9 Cmara solar numa cobertura (Fabute, 2003)

Em termos de renovaes de ar este sistema no o mais eficiente, visto que apenas cria 5 a

10 renovaes por hora. No entanto, um sistema que se combina facilmente com outros

sistemas de tratamento de ar e que apresenta um maior rendimento quando a intensidade de

radiao maior, que exactamente quando o sistema mais necessrio. (Serra e Coch,

2004)

2.1.2.3. Aspiradores Estticos

O aspirador esttico (Figura 2.10), funciona de uma forma semelhante s chamins e cmaras

solares, promovendo a suco do ar quente para o exterior do edifcio, por via de um

dispositivo colocado na cobertura. Este dispositivo esttico, localizado na cobertura, quando

atravessado pelo vento, cria suco e consequente libertao do ar interior por efeito de

Venturi (Gonalves e Mariz, 2004).

Figura 2.10 Aspirador esttico (Fabute, 2003)

Estes dispositivos possuem diversas formas e tamanhos, podendo ser facilmente adaptados a

diferentes tipos de coberturas. Apresenta caudais de extraco muito variveis e dependentes

20

da velocidade do vento da zona de implementao. No entanto, em zonas com alguma

intensidade de vento gera facilmente mais de 10 renovaes por hora (Serra e Coch, 2004).

2.1.2.4. Arrefecimento pelo Solo

possvel tirar partido do facto de a uma determinada profundidade do solo (cerca de

4,6metros), este manter temperaturas mais frescas do que o ar exterior no vero. Como

potencial de frio, o solo apresenta uma variao, em termos de temperatura, entre os 16 e os

18C.

Como tal existem sistemas de arrefecimento pelo solo no qual tubos ligam o interior do edifcio

a um poo localizado no exterior deste, estando estas tubagens enterradas profundidade

referida.

Figura 2.11 Arrefecimento pelo solo (Gonalves e Mariz, 2004)

O ar que entra no poo arrefecido nestes tubos (constitudos preferencialmente por material

que permita uma boa troca trmica com o exterior), sendo depois libertado nos espaos

interiores do edifcio, por conveco e auxlio de sistemas mecnicos de ventilao,

proporcionando o seu arrefecimento (Figura 2.11).

2.1.2.5. Radiao Nocturna

Os sistemas passivos de arrefecimento por radiao nocturna baseiam-se na elaborao de

mecanismos que permitem a emisso de calor para o espao exterior ao edifcio durante a

noite, altura em que a temperatura exterior mais baixa do que a que se verifica no interior do

edifcio. Podem tambm promover a refrigerao dos elementos acumuladores de calor por

ventilao natural, permitindo a passagem de ar fresco por estes durante a noite. Como

exemplos temos os mtodos de ventilao nocturna e de radiao nocturna.

Colocando na cobertura do edifcio material com capacidade de armazenamento trmico, como

j referido nas coberturas de gua, possvel proceder ao arrefecimento dos espaos

interiores por conduo trmica e posterior radiao do calor para o meio exterior. Estes

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elementos so cobertos durante o dia com isolamento trmico, sendo que noite este

retirado para que a radiao do calor possa ser processada.

Estes sistemas apresentam um melhor rendimento quando o diferencial trmico entre o dia e a

noite superior a 10C e quando a noite apresenta cu limpo. As nuvens reduzem a

capacidade de radiao da energia trmica para o cu (Mitj et al., 1986).

tambm importante notar que na cobertura onde estes sistemas apresentam melhor

rendimento visto que as superfcies horizontais irradiam mais 50% de energia trmica

acumulada que as verticais (Mitj et al., 1986).

2.2. Biomimtica

Uma outra forma de se obter uma climatizao natural, e consequente reduo do consumo

energtico das edificaes, por aplicao dos princpios de uma nova linha de pensamento: a

Biomimtica.

A vida no planeta terra tem vindo a sofrer, desde h 3,6 bilies de anos, um processo de

seleco natural, de tentativa e erro que culminou no refinamento das espcies que habitam os

diferentes habitats terrestres. Estes bilies de anos de teste e seleco culminaram portanto na

sobrevivncia dos mais fortes e como tal, na sobrevivncia dos que melhor se adaptaram s

condies que lhes foram impostas. deste ponto de partida que parte a Biomimtica.

A Biomimtica surge assim como o estudo e observao da natureza, dos seus organismos e

estruturas para obter respostas a problemas contra os quais a civilizao humana luta. A

melhor descrio talvez dada por uma das suas grandes impulsionadoras, a dra.Janine

Benyus, co-fundadora e presidente do Instituto da Biomimtica:

A Biomimtica a aprendizagem da natureza e a imitao de formas, processos e

ecosistemas naturais para a criao de um design e tecnologia mais sustentveis. Ela estuda a

folha para produzir uma melhor clula solar ou os recifes de corais para produzir superfcies

resilientes. A ideia principal a de que a natureza j solucionou muitos dos problemas com os

quais nos debatemos: energia, produo de comida, climatizao, produtos qumicos no

nocivos, transporte, entre outros.

Imitando o simples e lgico design natural existente no nosso planeta, podemos aproximar a

nossa de tecnologias que consomem menos energia, usando as formas para os propsitos

pretendidos. ()

Esta respeitosa imitao uma abordagem totalmente nova. Diferente da revoluo industrial,

a revoluo biomimtica inaugura uma era cujas bases assentam no naquilo que podemos

extrair da natureza, mas no que podemos aprender com ela.- Janine Benyus, no prefcio do

seu livro Biomimtica: Inovao Inspirada pela Natureza.

Apesar de muitas vezes passar despercebida ao conhecimento geral, esta rea produziu j

muitos produtos que representam um avano em termos de desempenho e inovao: o velcro

foi inspirado numa caminhada em que o seu criador observou que pequenos vegetais de

espinho ficavam agarrados s suas calas. Tambm o aparecimento de adesivos no-txicos

teve a sua inspirao nas substncias produzidas pelas salamandras, e a planta de Lotus,

atravs dos seus mecanismos de auto limpeza, inspirou a criao de tintas e ceras para aplicar

em vidros e revestimentos de carros e outras superfcies.

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2.2.1. Exemplos da Biomimtica na Construo

Existem j inmeras edificaes e sistemas para climatizao e ventilao natural das

mesmas, pensadas e construdas de acordo com os princpios da Biomimtica. Entre elas do-

se trs exemplos: o centro cultural Esplanade Theatre construdo em Singapura, o sistema de

ventilao utilizado na Escola Internacional de Harare, localizada no Zimbabu, conhecido

como Vawtex, e finalmente, o centro comercial Eastgate Center, situado tambm na cidade de

Harare.

2.2.1.1. Complexo Cultural Esplanade Theatre

O Esplanade Theatre um complexo cultural localizado na Marina Bay em Singapura e

idealizado por uma equipa formada pela DP Architects e pela Michael Wilford&partners.

Figura 2.12 Vista exterior do edifcio Esplanade (Wikimedia, 2005) Figura 2.13 Vista interior do

edifcio (Biomimetic architecture, 2010)

Este complexo utiliza vidro como elemento principal da sua fachada. No entanto, devido s

elevadas temperaturas verificadas no local, os ganhos trmicos seriam extremamente

elevados, tornando a estrutura dependente de um elevado consumo energtico para

climatizao artificial dos espaos interiores. Por inspirao na Biomimtica, surgiu ento a

ideia de recriar a superfcie de um fruto denominado Durian (Figura 2.14), bastante popular na

Singapura (Biomimetic-architecture, 2010).

Figura 2.14 Fruto Durian (Wikipdia, 2012) Figura 2.15 Pormenor do sombreamento exterior

(Wordpress, 2010)

http://www.google.pt/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=rFj0L1OAvBu27M&tbnid=c7D7UdK_n0XEGM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_Esplanade,_Singapore,_Dec_05.JPG&ei=5yd3UaaAD4bG7Aawu4CICQ&psig=AFQjCNHGasBTMs9HeBBKvKN13M-8u15VAw&ust=1366849895319646http://travel.nationalgeographic.com/travel/city-guides/singapore-photos-1/http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/02/Durian.jpghttp://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=nsXR90cfF6wegM&tbnid=gaQWAiyviv0w9M:&ved=0CAUQjRw&url=http://aedesign.wordpress.com/2010/03/19/the-esplanade-singapore/esplanade-skin/&ei=zCh3UaX4HYHA7Ab6_IGACA&bvm=bv.45580626,d.ZGU&psig=AFQjCNHf6h7AzSrZHeGB083ELu8ZJbY7Tg&ust=1366850107706529

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Neste edifcio a soluo adoptada foi a de criar painis de alumnio de forma triangular cujo

intervalo entre elementos proporciona um efeito de sombreamento aproximado ao que se

verifica na casca deste fruto.

Figura 2.16 Vista do sistema de sombreamento pelo interior (EHSAAN, 2010)

Estes painis de alumnio ajustam-se automaticamente incidncia solar ao longo do dia,

alternando diferentes posies e ngulos. Desta forma esta soluo consegue maximizar o

sombreamento da superfcie de envidraado, impedindo que as temperaturas interiores no

edifcio atinjam valores elevados (EHSAAN, 2010).

2.2.1.2. Sistema de Ventilao Vawtex

No Zimbabu, na escola internacional de Harare, capital do pas, podemos encontrar mais um

exemplo da Biomimtica. Trata-se de um sistema de ventilao simples e construdo sem

grandes recursos financeiros. Este inspira a sua, forma das sementes das smaras, um fruto

que se pode encontrar em determinados tipos de rvores da zona.

A semente deste fruto (Figura 2.18), possui uma estrutura em hlice que lhe permite aproveitar

e captar as leves brisas de forma a estas a transportarem para o mais longe possvel da rvore

progenitora.

O sistema Vawtex possui ento ps posicionadas em torno de um eixo vertical. Estas permitem

captar o vento proveniente de qualquer direco.

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Figura 2.17 Sistema Vawtex (Brianwilliams, 2012) Figura 2.18 Sementes do fruto

smara(Embrapa, 2012)

Aliado energia elica captada no exterior, tem-se o processo natural de conveco que

ocorre no interior do ambiente da escola que, ao accionar a hlice deste sistema, torna o

conjunto at trs vezes mais rpido do que seria, somente com a velocidade do vento no local.

O sistema Vawtex para controlo trmico por energia elica, possui as vantagens de, para alm

de no representar qualquer consumo energtico, ser tambm mais silencioso que os sistemas

convencionais com um custo de instalao igual (worldaware, 2002).

2.2.1.3. Eastgate Center

Construdo tambm na cidade de Harare, no Zimbabu, fica o complexo de lojas e escritrios

Eastgate Center. Esta cidade, localizada a uma altitude de 1500 metros, possui uma variao

trmica que pode alternar dos 10 aos 30 C. Esta variao acentuada exige s construes

locais, uma boa preparao e comportamento trmico.

Figura 2.19 Edifcio Eastgate Center (Asknature, 2013) Figura 2.20 Vista interior do edifcio

(Skyscrapercity, 2010)

Projectado pelo arquitecto Mick Pearce, em conjunto com a equipa Arup, e finalizado no ano de

1996, este complexo recria o sistema de climatizao natural utilizado por trmitas nos seus

ninhos. Desta forma foi solucionado o problema da climatizao do edifcio, reduzindo-se uma

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=ZTKJb9Iy-5HE_M&tbnid=UvbcipY4XgtHTM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.briangwilliams.com/low-energy-strategies/passive-cooling-options.html&ei=uyt3UfKxHKX17Ab6joEg&bvm=bv.45580626,d.ZGU&psig=AFQjCNFe4sguba1ymfWD5PzC_MwKE2mIzA&ust=1366850851125813http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=nwrqfQF7KONd7M&tbnid=ifZ6mmaKtRoh_M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/especies_arboreas_brasileiras/arvore/CONT000fupt11fx02wyiv80166sqf174bnbs.html&ei=US13Ue6HKbDY7AbhkIGIAg&psig=AFQjCNEFGcqYGMbZQBIHRHnw9APcy8w59A&ust=1366851214673033http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=hQgvyOA1KMpjPM&tbnid=_cku8D9fa8SGoM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.asknature.org/product/373ec79cd6dba791bc00ed32203706a1&ei=Li53UcKpGsnY7Aa164DwDA&psig=AFQjCNETQjPKnDbmmMqla8rstagT4fPigg&ust=1366851464312007http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=1528057&page=3

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grande parcela do consumo energtico do mesmo, destinado ao arrefecimento/aquecimento e

ventilao artificiais.

Figura 2.21 Chamin solar do edifcio e ninho de trmitas (Fehrenbacher, 2012)

O conceito da estrutura deste complexo foi pensado de forma a se rentabilizar os processos

naturais de conveco do ar, e efectuar uma climatizao e ventilao dos espaos interiores

da forma mais eficiente e com o menor consumo energtico possvel.

Para tal, os seus projectistas olharam para uma estrutura j existente no meio natural da zona:

os ninhos das trmitas locais.

Estas cultivam fungos nos seus ninhos, e para tal necessitam de ter uma temperatura interna

estvel a rondar os 30C, sendo que a temperatura externa pode variar entre os 2 e os 38C

nos locais onde estas estruturas foram encontradas. A forma encontrada por esta espcie para

criar tal efeito, foi a de construir nos seus ninhos sistemas de tubagens e colunas que

funcionam por efeito da conveco natural do ar quente (Figura 2.22) (Fehrenbacher, 2012).

Assim, tambm este edifcio possui chamins solares que vo permitindo a sada gradual do ar

quente produzido durante o dia no seu interior, provocando um efeito de chamin que promove

a entrada de ar fresco atravs de aberturas em nveis mais baixos.

Pela diferena de presso produzida por este efeito, o ar fresco ento conduzido para o

interior das divises, promovendo uma temperatura mais amena e confortvel para os seus

utilizadores.

Todos os espaos esto em contacto, por via de uma abertura superior, com a grande chamin

central do edifcio. Desta forma o ar quente direcionado para esta e torna constante o efeito

de refrigerao.

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Figura 2.22 Comparao da estrutura interior do ninho de trmitas com a do edifcio (Fehrenbacher,

2012)

De referir que o bom funcionamento do sistema natural utilizado s conseguido em

ambientes, tal como o verificado em Harare, com grande amplitude trmica. S desta forma os

processos naturais de conveco e o efeito de chamin conseguem ser eficientes, pois s

desta forma estes processos se do com a velocidade necessria para o fim desejado.

Esta inspirao na natureza por aplicao dos princpios da Biomimtica, permitiu uma

poupana anual de cerca de 3,5 milhes de euros em ar condicionado, sendo que as suas

necessidades, quer de aquecimento ou arrefecimento artificiais, so inferiores em 10% s de

um edifcio convencional de dimenso semelhante (Fehrenbacher, 2012).

Desta forma as rendas dos espaos neste complexo so 20% inferiores s verificadas em

edifcios circundantes (Fehrenbacher, 2012).

Este um exemplo pleno da melhoria que a Biomimtrica pode trazer s edificaes futuras,

quer em termos funcionais e econmicos, como principalmente em termos ambientais.

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3. Sistemas de Produo de Energias Renovveis

Para alm de todas as opes construtivas e sistemas passivos de climatizao j referidos,

existem tambm sistemas de produo de energias renovveis que se assumem como um

passo em frente em termos de sustentabilidade das edificaes. Estes permitem que a energia

consumida provenha de fontes naturais e inesgotveis como o sol, o vento e a gua, em

detrimento das habituais fontes de combustveis fsseis, que para alm de constiturem

recursos finitos, so tambm extremamente poluentes. Estes sistemas de energias renovveis

permitem o fornecimento de energia limpa, sem produo de resduos poluentes e no

contribuindo para o aumento da concentrao de CO2 na atmosfera, uma das principais causas

do efeito de estufa responsvel pelo aquecimento global.

Portugal apresenta-se como um pas onde, por exemplo, a disponibilidade do recurso solar

muito elevada, sendo que o seu nmero anual de horas de sol varia entre as 2500 e as 3200.

Tambm se verifica que variao da radiao solar entre o norte e o sul do pas difere apena