termica de edifícios_2010

Térmica de Edifícios

_____________________________________________________________________________________ Física das Construções – 2009/2010� � 1/41�

INTRODUÇÃO

Esta introdução foi retirada integralmente de: Apontamentos de Climatização e

Instalações das Construções II – Universidade do Minho - Manuela Almeida e Sandra

Silva

Desde a antiguidade que o Homem procurou condições de conforto térmico nas suas

habitações, não só para o proteger dos rigores do Inverno, como também para amenizar as

condições associadas ao calor de verão. Ainda que de forma empírica, o Homem desde cedo

se apercebeu que o conforto no interior das habitações estava essencialmente associado ao

calor resultante da radiação solar e às trocas de calor efectuadas com o meio exterior, através

da envolvente, por fenómenos de convecção térmica.

No passado, a construção de habitações com paredes de adobe, ou em alvenaria de pedra ou

tijolo, em geral com grandes espessuras por razões estruturais e com aberturas de

comunicação com o exterior reduzidas, conduziam a soluções razoáveis em termos de conforto

térmico. De facto, estas características e as baixas condutibilidades térmicas dos materiais

utilizados reduziam as trocas de calor, sendo as amplitudes térmicas no interior das habitações

inferiores às registadas no exterior.

As maiores dificuldades de isolamento térmico residiam nas coberturas, zonas mais sujeitas à

radiação solar directa e onde as soluções em alvenaria raramente eram aplicáveis, por razões

estruturais. Na construção destes elementos, em particular nos países quentes, foram

utilizadas várias soluções, em geral à base de madeira ou fibras vegetais, tendo como objectivo

a criação de caixas-de-ar ou sistemas de ventilação natural.

A cor da superfície exterior das edificações, em particular da cobertura, foi um parâmetro cuja

relação com o calor resultante da radiação solar foi desde cedo apercebida pelo homem,

adoptando cores mais claras nas habitações das zonas quentes, como por exemplo as casas

alentejanas, caiadas de branco.

Desde sempre se tentou adaptar as construções ao clima, estudando a localização, a forma, a

configuração e a envolvente dos edifícios de modo a tirar partido das condições naturais.

Com a Revolução Industrial os critérios para a construção de edifícios afastaram-se dos

princípios bioclimáticos (a orientação a Sul dos edifícios mediterrâneos, os materiais de

construção utilizados, a utilização de árvores de folha caduca a envolver a fachada Sul dos

edifícios, para ajudar a criar um microclima confortável) sendo dada mais importância ao

critério económico. Isto conduziu a edifícios sem capacidade de armazenamento térmico em

que as condições de conforto são atingidas com um consumo excessivo de energia.


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Física das Construções – 2009/2010� � 2/41�

Com os desenvolvimentos da engenharia a partir do Século XIX, com a utilização do aço e do

betão, as soluções clássicas de alvenaria com grande espessura foram substituídas por

soluções estruturais mais ligeiras, baseadas em sistemas porticados de pilares e vigas.

Nestas soluções, não só as paredes deixam de ter funções resistentes, reduzindo-se a sua

espessura, como se passou a utilizar janelas com áreas mais significativas, o que de forma

natural conduziu a situações de menor conforto térmico (mais perdas de Inverno e mais ganhos

de verão).

Assim, assistiu-se a um duplo efeito: redução da inércia térmica, devido à menor massa dos

elementos; e aumento das trocas de calor com o exterior, uma vez que devido à menor

espessura dos elementos a resistência térmica diminuiu.

É então necessário desenvolver novos sistemas construtivos e materiais. Surgem assim os

elementos duplos e os materiais de isolamento, que apesar de reduzida espessura e peso

apresentam uma resistência térmica elevada.

Por outro lado é necessário aumentar a inércia térmica e controlar a incidência da radiação

solar. O desenvolvimento tecnológico e o aumento do poder de compra da população

possibilitaram também o aparecimento de sistemas mecânicos de climatização (ar

condicionado), que melhoram as condições de conforto térmico, de forma “artificial” e com

grande dispêndio de energia.

Em Portugal, o menosprezo ao longo dos anos dos aspectos relacionados com a adequação

dos edifícios ao ambiente que o rodeia, a consideração da amenidade do clima, a tradicional

ausência de sistemas de climatização e a falta de poder económico da população em geral

conduziu à ausência de condições de conforto no interior das habitações.

Assim, e apesar dos “choques petrolíferos” verificados em 1973 e 1979 e da sua incidência na

economia nacional, o consumo de energia em edifícios para a satisfação das exigências de

conforto higrotérmico e de qualidade do ar nunca foram alvo de interesse, talvez devido à

pequena parcela que o consumo total de energia no sector dos edifícios representava, quer

face aos outros sectores (cerca de 20%, contra 30% nos transportes e 40% na indústria), quer

face aos valores correspondentes nos países da comunidade europeia (onde a média no sector

era superior a 30%).

Na Europa 28% a 45% da energia consumida é gasta em edifícios e, 2/3 desse consumo é

gasto em habitações. Em Portugal os consumos energéticos são mais baixos, cerca de 25%,

estando no entanto a crescer.

A crise energética de 1970 também introduziu o conceito de poupanças energéticas no sector

da construção, tendo surgido, em consequência, o conceito de Arquitectura Bioclimática, ou

seja, uma forma nova de entender a Arquitectura e o Urbanismo que pretende recuperar

algumas das tecnologias do passado, actualmente em desuso, mas que são eficazes para a

obtenção de situações de conforto térmico e visual no interior das habitações.

Este tipo de arquitectura está intimamente ligada com o ambiente e tem como objectivo

minimizar a utilização de energias fósseis, usando formas de energia naturais e tirando o

máximo partido da energia solar.


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Deste modo parecia óbvio, que não se podia poupar num sector onde se não gastava, ainda

que à custa de situações de falta de conforto [1].

Assim, as reflexões que desde 1980 deram lugar ao Plano Energético Nacional, assentam na

consideração da “conservação energética em edifícios”, não no sentido de reduzir os consumos

energéticos, que não eram significativos, mas no sentido de aumentar o conforto higrotérmico.

Em 1990, com o aparecimento da regulamentação térmica, com o aumento do nível económico

da população e as características dos sistemas de climatização, as condições de conforto

aumentaram, em grande parte com a vulgarização dos sistemas de aquecimento central e com

a utilização de splits (o que conduziu a um aumento do consumo energético em especial

durante o verão).

À medida que as tecnologias foram evoluindo deixaram de se utilizar as técnicas ancestrais, já

que a dependência das condições naturais era ultrapassada com o aparecimento de formas

mecânicas de climatização e com o aumento da capacidade económica, surge uma maior

exigência de conforto, no entanto, a sensibilidade para com os aspectos de economia não

evolui da mesma forma.

Mas, por meios naturais é possível atingirem-se as condições de conforto ou então facilitar a

sua obtenção, no entanto, devido à dependência dos aspectos climáticos, a situação não é

uniforme ao longo do ano, e se no Inverno é bom ter ganhos solares, de Verão já tal não

acontece, e nas estações de transição o fenómeno é ainda mais complexo, uma vez que

podem ocorrer problemas de sobreaquecimento, por exemplo devido à ineficiência dos

sistemas de sombreamento fixos.

Assim é muito mais fácil recorrer a um sistema de climatização que mantém sempre as

mesmas condições, num ambiente termostatizado. Nestas condições, à custa de um dispêndio,

em alguns casos desnecessário, de energia, mantém-se o ambiente, por exemplo entre 20 ºC a

25 ºC, situação corrente na maioria dos países europeus.

Se a temperatura exterior é baixa, da ordem dos 0 ºC aos 5 ºC (temperaturas correntes no

Inverno português) e é necessário usar roupa pesada no exterior, 1.5 Clo a 2.0 Clo, no interior

de edifícios climatizados, com temperaturas entre 20 ºC a 25 ºC é suficiente usar-se roupa

mais leve, com resistência térmica da ordem dos 0.5 Clo a 1.0 Clo. Nesta situação, as

temperaturas interior e exterior são muito diferentes, o que implica uma alteração brusca da

temperatura, podendo originar problemas de saúde às pessoas expostas a estas variações.

Nestas situações, o que acontece é que há um consumo excessivo de energia, em primeiro

lugar se o edifício estiver desligado do ambiente que o rodeia, não aproveitando as condições

naturais, em segundo lugar, se a envolvente do edifício não tiver um nível de isolamento

adequado, devido a trocas de calor excessivas através da envolvente, e em terceiro lugar

devido à temperatura existente, que permite que de Inverno ou Verão se possa usar o mesmo

tipo de roupa num ambiente climatizado.

Em Portugal os sistemas de climatização são mais comuns em edifícios de comércio e serviços

do que em edifícios residenciais. Nestes edifícios, a existência de grandes vãos envidraçados,


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se não forem tomadas medidas apropriadas, faz com que, mesmo de Inverno, durante um dia

de trabalho seja necessário aquecer, devido às temperaturas baixas, em especial de manhã, e

arrefecer o ambiente, devido aos ganhos de calor provocados pelas cargas internas e aos

ganhos solares excessivos que podem ocorrer em dias de céu limpo.

Assim, o caso português é um caso particular, quando comparado com a maioria dos países

europeus, em especial os mais desenvolvidos do norte e centro da Europa, que inspiram a

arquitectura portuguesa actual, por vários factores:

- o clima é, em geral ameno, existindo boas condições para se atingir ou para se melhorar a

obtenção das condições de conforto de forma natural;

- não existe uma tradição de climatização dos edifícios, em especial devido à amenidade do

clima e a factores socio-económicos;

- quando começaram a aumentar as exigências de conforto, desligaram-se os edifícios do clima

e abandonaram-se as técnicas tradicionais, em especial os edifícios com inércia térmica forte;

- actualmente, devido às exigências regulamentares, já é corrente utilizar-se isolamento

térmico.

No entanto, descuram-se outros factores importantes e, que em algumas situações, são fáceis

de observar, como por exemplo orientar o edifício da melhor forma ou utilizar os sistemas de

sombreamento mais adequados. É vulgar utilizar palas, por exemplo por questões estéticas,

mas estas em alguns casos servem apenas esse fim, não sendo aproveitadas da melhor forma,

pois são colocadas de forma indiferenciada, não considerando a orientação da fachada.

É necessário que o material de isolamento tenha espessura suficiente pois a resistência

térmica de um material aumenta com o aumento da sua espessura. Existe no entanto um custo

limite para a espessura aplicada.

A existência de pontes térmicas pode originar um aumento superior a 30% nas perdas de calor.

Além de perdas energéticas mais elevadas, as pontes térmicas originam o aparecimento de

zonas da envolvente cuja temperatura é inferior à dos restantes elementos, podendo originar,

nestes pontos singulares, condensação de vapor de água, aparecimento de manchas, bolores

e de fungos o que conduz a problemas de insalubridade e à deterioração dos revestimentos no

paramento interior da envolvente exterior.

Os problemas de condensação não são restritos às superfícies internas mais frias. Podem

também ocorrer dentro dos próprios materiais de construção, onde se deterioram, reduzindo a

sua resistência térmica. Este fenómeno é designado por condensação intersticial, o que dá

origem à diminuição da resistência térmica do elemento, sendo causada pela migração da

humidade do ar interior do compartimento para o exterior. Se a temperatura dos materiais de

construção atingir o ponto de orvalho do ar do compartimento, antes de ser parado por uma

barreira para vapor eficaz, ocorrerão condensações.

Existem três formas práticas de evitar as condensações superficiais:

- aumentar a temperatura superficial interna do elemento, aumentando o seu isolamento

(evitar as pontes térmicas e usar vidros duplos). Esta medida além de evitar as condensações

é também uma forma de conservação de energia;


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- reduzir a produção de vapor de água no interior do edifício, extraindo o vapor de água

onde ele é produzido;

- aumentar a ventilação do espaço em questão.

Os edifícios mais estanques, ou seja com taxas de renovação de ar baixas e com níveis de

isolamento elevados são particularmente sensíveis às pontes térmicas. A correcta ventilação

dos edifícios, de preferência de forma natural pode contribuir para melhorar a qualidade do ar

interior e evitar a ocorrência de condensações

É então necessário, não só conhecer os fenómenos que contribuem para o adequado

comportamento térmico dos edifício, como são os fenómenos de transferência de calor e

psicrometria, os mecanismos de conforto térmico, a geometria solar, que permite não só

melhorar as características de iluminação de forma natural no interior dos edifícios, mas

também contribuir para reduzir os consumos energéticos.

A adequada integração do edifício no ambiente que o rodeia, tendo em consideração o clima, a

topografia, a insolação, a escolha da forma, orientação, características dos elementos da

envolvente (tipo de materiais, nível de isolamento, dispositivos de sombreamento) irá conduzir

a edifícios mais confortáveis e eficiente.

1. PROCESSOS DE TRANSMISSÃO DO CALOR

Para estudar o comportamento térmico dos edifícios, torna-se importante conhecer os modos

de transmissão de calor.

O estudo da transmissão do calor assenta nas leis e nos princípios básicos da Termodinâmica,

que permite afirmar que:

- a transmissão de calor entre dois elementos ou entre dois pontos de um elemento,

verifica-se sempre que entre eles se estabelece uma diferença de temperatura,

dando-se uma transferência de energia, sob a forma de calor, de um para outro;

- esta transmissão de calor faz-se sempre no sentido do elemento a mais elevada

temperatura para o elemento de temperatura mais baixa e com conservação de

energia, isto é, a quantidade de calor que o elemento mais “quente” cede é igual à

quantidade de calor que o elemento mais “frio” recebe.

A transferência de calor ocupa-se dos mecanismos responsáveis pelo transporte de energia,

sob a forma de calor, entre dois pontos a temperaturas diferentes e separados por um meio, ou

meios condutores.

Quando há uma diferença de temperatura, o calor fluí do corpo a temperatura mais alta para o

corpo a temperatura mais baixa, ou seja um gradiente de temperatura origina um fluxo de calor.

O fluxo de calor é a quantidade de calor transferido por unidade de área e por unidade de

tempo, em W/m2.

A distribuição de temperaturas ao longo do corpo e o fluxo de calor nas fronteiras do corpo são

de especial interesse em alguns ramos da Engenharia.


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A transferência de calor entre dois corpos quaisquer do espaço ocorre sempre que houver uma

diferença de temperatura entre estes pontos. Esta troca de calor pode dar de três maneiras

diferentes (Fig. 1):

Figura 1 – Representação dos mecanismos de transferência de calor

Condução – A energia térmica é transportada entre partes de um meio contínuo pela

transferência de energia cinética entre partículas individuais ou grupos de partículas, ao nível

atómico:

- Gases: choque entre partículas;

- Metais: movimento de electrões livres;

- Líquidos e outros sólidos: vibrações de estrutura reticular.

A Condução de calor dá-se entre dois corpos que estejam em contacto, ou entre uma zona de

um corpo para outra zona do mesmo corpo e, é um mecanismo que envolve a transferência de

energia cinética de moléculas a temperatura mais elevada para moléculas a temperatura mais

baixa. Uma barra metálica aquecida numa extremidade, rapidamente fica quente na outra

extremidade. A transferência de calor dá-se sem transporte de matéria.

As leis da condução podem ser expressas de forma matemática e a análise do fluxo de calor

pode ser tratada analiticamente em muitos casos.

Convecção – Transferência de calor devido à turbulência e mistura de fluído associada à

condução, como mostra a Figura 2. A convecção é classificada em:

- Natural: o movimento do fluído é provocado por suas diferenças de densidade causadas

pelas diferenças de temperatura;

- Forçada: forças externas impelem o fluído contra a região de calor.

Figura 2 - Transmissão do calor por convecção


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A Convecção é o mecanismo de transferência de calor que ocorre quando um fluído flúi sobre

um corpo sólido, quando estão a temperaturas diferentes, sendo a transferência de calor uma

consequência do movimento do fluído sobre o sólido.

Se o movimento do fluído é devido a um gradiente de densidades, que é provocado pela

diferença de temperaturas existente na massa do fluído, o processo de transferência de calor

diz-se por convecção natural. Se o movimento do fluído é provocado artificialmente (por

exemplo por uma bomba), o processo de transferência de calor diz-se por convecção forçada.

Por exemplo uma placa quente arrefece mais depressa quando colocada junto de um

ventilador do que quando exposta ao ar parado.

O movimento do fluído pode realizar-se de uma forma regular - regime laminar, ou pode

efectuar-se de uma forma irregular e agitada - regime turbulento.

A análise matemática deste mecanismo de transferência de calor é das mais complexas, daí

que muitas vezes se recorrem a relações empíricas que se aproximam destes fenómenos.

Radiação – Transferência em forma de ondas electromagnéticas.

A Radiação é um mecanismo que envolve a transferência de energia sob a forma de radiação

electromagnética, que não necessita de um suporte material para se propagar.

Dois corpos a temperaturas diferentes separados por vácuo, não podem transferir calor nem

por condução nem por convecção, mas trocam calor por radiação. E, mesmo que exista um

meio, por exemplo, o ar, ele não é afectado pela passagem da energia electromagnética.

A radiação electromagnética é emitida por um corpo devido à sua temperatura e é emitida em

todas as direcções do espaço.

As ondas, ao atingirem um corpo, são em parte absorvidas, em parte reflectidas e em parte

transmitidas.

A percentagem de radiação que é absorvida é traduzida pelo coeficiente de absorção - α

tendo-se o valor α = 1 para um corpo ideal designado por corpo negro. Do mesmo modo, a

percentagem de radiação reflectida por um corpo traduz a sua reflectividade ou coeficiente de

reflexão - ρ - e a energia transmitida está relacionada com o coeficiente de transmissão - τ -

sendo ρ + τ + α = 1, como mostra a Figura 3.

Figura 3 – Propriedades da radiação

Se α = 1, a superfície é negra. Se α > 0, ρ > 0, τ = 0, o material é opaco, se τ > 0, o material é

transparente, tal como mostra a Figura 4.


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Figura 4 - Tipo de material em função das suas características de absorção, reflexão e transmissão

Se a radiação incidente no corpo é radiação térmica (que depende do comprimento de onda da

radiação), a radiação absorvida pelo corpo aparece sob a forma de calor.

Num edifício, por exemplo, as trocas de calor são as seguintes, tal como se encontra

representado na Figura 5:

- calor transmitido por condução nas paredes e coberturas;

- calor transmitido através das superfícies por convecção;

- calor transmitido através das superfícies por radiação.

O calor transmitido por radiação inclui uma parcela associada à radiação térmica emitida por

todas as superfícies e outra referente à radiação solar recebida nos elementos exteriores.

Figura 5 – Tipos de trocas térmicas e parâmetros da acção térmica

Esta interacção entre os vários parâmetros origina variações de temperatura sazonais e diárias

nas construções. As primeiras estão essencialmente associadas à amplitude anual da

temperatura média ambiente; as segundas traduzem-se nas condições diárias de conforto e

resultam da variação ao longo do dia de factores tais como a temperatura do ar, a radiação

solar e a velocidade do vento.


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1.1. TRANSMISSÃO DO CALOR POR CONDUÇÃO

A transmissão por condução dá-se, sobretudo, no interior de corpos sólidos ou entre corpos

sólidos em contacto. O calor transmite-se de molécula em molécula, sem movimento interno da

matéria. A principal característica da condução é, portanto, a transferência de energia sem a

simultânea transferência de matéria, ocorrendo assim predominantemente nos sólidos.

Existem materiais que são melhores condutores que outros, tendo uma maior condutibilidade

térmica. De acordo com esta propriedade podemos classificá-los em condutores e isolantes.

A transmissão de calor por condução rege-se matematicamente pela Lei de Fourier (Fig. 6):

ndAdQ

∂∂⋅−= θλ

Figura 6 - Transmissão de calor por condução

em que:

Q – fluxo de calor;

λ - condutibilidade térmica;

A – área do elemento (dA – área elementar);

θ - temperatura.

O fluxo de calor, dQ (quantidade de calor por unidade de tempo), atravessa a área elementar

dA na direcção da sua normal n, no sentido das temperaturas decrescentes. A generalização

da lei de Fourier para um espaço tridimensional, conduz-nos à equação geral da condução.

Para um volume elementar, recorrendo ao princípio da conservação de energia e admitindo

que não existem fontes internas de calor, chegamos a:

��

��

�

∂∂+

∂∂+

∂∂=

∂∂

2

2

2

2

2

2

zyxctθθθ

ρλθ

em que:

ρ - massa específica;

c – calor específico;

λ/ρc - difusibilidade térmica.

n

dA


��


Nos casos correntes da Térmica de Edifícios, o estudo de elementos críticos de edifícios, como

paredes, coberturas, envidraçados, etc., pode ser feito numa base unidireccional (segundo x),

já que as características destes elementos assemelham-se a placas (dimensões faciais muito

superiores à sua espessura). A vantagem desta simplificação dimensional é a de permitir o

cálculo da transmissão de calor sem recorrer a métodos numéricos de aproximação. O erro

daqui resultante é, sob o ponto de vista da Engenharia Civil, insignificante.

Assim, para o cálculo do fluxo de calor por condução num elemento homogéneo do tipo placa

Se existir uma transmissão de calor constante no tempo, diz-se que ela se faz em regime

permanente e 0=

∂∂

tθ

.

Neste estudo só vamos considerar o fluxo unidireccional (variação segundo x) e em regime

permanente (Fig.7). Então, numa placa homogénea com dimensões faciais muito superiores à

sua espessura e com as duas faces a temperaturas diferentes, temos:

02

2

=∂∂

xθ

Figura 7 – Transmissão de calor por condução em regime permanente e fluxo unidireccional

Sendo:


��


Para estudar o fenómeno da condução, é necessário conhecer duas grandezas importantes no

processo, que são propriedades dos materiais:

• Condutibilidade térmica, λλλλ, que expressa a quantidade de calor que atravessa, na

unidade de tempo, uma superfície de área unitária, para uma diferença unitária de

temperatura entre essa superfície e outra situada a uma distância unitária. A

condutibilidade térmica varia com a densidade, com o teor em humidade e com a

temperatura do material. As unidades em que esta grandeza está expressa são W/m

ºC ou W/m ºK.

• Calor específico, c, que expressa a quantidade de calor necessária para elevar de um

grau a temperatura de uma massa unitária do material. As unidades em que esta

grandeza está expressa são J/kg ºC ou J/kg ºK.

A condutibilidade térmica tem em geral um valor característico para cada material, podendo

esse valor apresentar flutuações devidas a vários factores tais como a densidade, a

temperatura, verificando-se que com o aumento da temperatura existe um aumento na

condutibilidade, e/ou a humidade, pois a água ocupa o lugar dos poros do material, facilitando

a passagem de calor através do corpo. A condutibilidade é muito influenciada pela existência

de cavidades elementares, ocupadas por ar estagnado, num material poroso, de espuma ou

com estrutura fibrosa. No entanto, para os materiais de construção, nos intervalos de

temperatura em que se trabalha, pode-se admitir que a condutibilidade é constante.

Na Figura 8 apresenta-se a evolução da condutibilidade térmica com a densidade para diversos

tipos de materiais. A Figura 9 ilustra a evolução da condutibilidade térmica em função do teor

em água em volume.

Figura 8 – Variação de λ com a densidade para vários materiais


��


Figura 9 - Variação de λ com o teor de água em volume

Os materiais apresentam valores de condutibilidade térmica muito variáveis. Nas Tabelas 1 e 2

indicam-se os valores médios da condutibilidade térmica, da massa volúmica e do calor

específico (indica a relação entre calor e temperatura: é a quantidade de calor, energia, que

causa um aumento de temperatura unitário a uma unidade de massa da substância) de

materiais correntes. Os metais puros são os que apresentam valores mais elevados e os gases

e vapores os que apresentam valores mais baixos.


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Tabela 1 – Características térmicas dos materiais correntes


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Tabela 2 – Valores da condutibilidade térmica de alguns materiais


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1.2. TRANSMISSÃO DE CALOR POR CONVECÇÃO

A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos

e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo

sucessivamente, na convecção a propagação do calor dá-se através do movimento do fluido,

envolvendo transporte de matéria. São trocas entre um corpo sólido e o fluído que passa na

superfície do corpo sólido a uma dada velocidade ou no interior do próprio fluído.

A descrição e explicação desse processo é simples: quando uma certa massa de um fluido é

aquecida suas moléculas passam a mover-se mais rapidamente, afastando-se, em média, uma

das outras. Como o volume ocupado por essa massa fluida aumenta, a mesma torna-se menos

densa. A tendência dessa massa menos densa, no interior do fluido como um todo, é sofrer um

movimento de ascensão ocupando o lugar das massas do fluido que estão a uma temperatura

inferior. A parte do fluido mais fria (mais densa) move-se para baixo tomando o lugar que antes

era ocupado pela parte do fluido anteriormente aquecido. Este processo repete-se inúmeras

vezes, enquanto o aquecimento é mantido, dando origem às chamadas correntes de

convecção (Fig. 10). São as correntes de convecção que mantêm o fluido em circulação.

A transmissão de calor por convecção rege-se pela Lei de Newton.

Figura 10 – Transmissão de calor por convecção

em que:

S – Área;

θs – Temperatura da superfície

θf – Temperatura do fluído

Ou:


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O fluxo de calor entre o sólido e o fluído varia, assim, linearmente com a diferença de

temperatura a que se encontram.

A condutância térmica superficial varia com a orientação da superfície, o sentido do fluxo, com

as diferenças de temperatura, com a velocidade do ar e com as características do escoamento.

1.3. TRANSMISSÃO DE CALOR POR RADIAÇÃO

Todos os corpos emitem e recebem radiação e a quantidade de energia emitida é apenas

função da sua temperatura absoluta e do estado da sua superfície.

A transmissão de energia através do espaço é chamada radiação. Este processo de

transmissão do calor não depende da presença de um meio material, podendo ocorrer através

do vácuo. A energia solar, por exemplo, chega até nós dessa forma.

A energia transmitida deste modo é denominada energia radiante e apresenta-se na forma de

ondas electromagnéticas, assim como as ondas de rádio, os microondas, a luz visível, a

radiação ultravioleta (UV), os raios X e os raios gama. Essas formas de energia radiante estão

classificadas por ordem de comprimento de onda (ou de frequência) constituindo o espectro

electromagnético.

A radiação térmica abrange uma determinada faixa do espectro total das radiações

electromagnéticas, cujo comprimento de onda varia entre 10-7 m até 10-4 m.

A transferência de calor por radiação geralmente envolve a faixa do espectro conhecida por

infravermelho (IV). Qualquer objecto libera energia radiante. Objectos a uma maior temperatura

liberam mais energia radiante que objectos a uma menor temperatura.

As qualidades físicas de um objecto determinam a capacidade do mesmo absorver ou reflectir

radiação. De um modo geral superfícies rugosas e/ou opacas são bons absorvedores de calor

radiante, sendo portanto, facilmente aquecidos por radiação. Superfícies lisas e polidas são

usualmente bons reflectores de modo que não permanecem eficientemente aquecidas.

Objectos que são bons absorvedores, frequentemente são bons emissores. Objectos que são

bons reflectores, frequentemente são fracos emissores. Da mesma forma, objectos de cor

escura absorvem melhor a energia radiante do que objectos de cor clara.


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Figura 11 – Transmissão de calor por radiação

• Coeficiente de absorção, αααα - fracção da energia que é absorvida

• Coeficiente de reflexão ou reflectividade, ρρρρ - fracção da energia que é reflectida

• Transmissividade, ττττ - Fracção da energia que é transmitida

α+ρ+τ=1 Na Tabela 3, apresentam-se os valores médios dos coeficientes de absorção solar (αs) e

emissividade (e) correspondentes a vários materiais.

Tabela 3 – Coeficientes de absorção solar e emissividade


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2. CÁLCULO DO COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERÊNCIA DE

CALOR

Na maior parte das situações, as temperaturas superficiais dos sólidos não são conhecidas.

Conhecem-se, sim, as temperaturas dos fluidos circundantes (seja a temperatura ambiente ou

a temperatura de um qualquer fluído que circunde o corpo).

Nesta situação, é necessário entrar em consideração com as trocas de calor por convecção,

entre o fluído e o sólido.

O Coeficiente Global de Transferência de Calor - U - (igual ao Coeficiente de Transmissão

Térmica, K) e igual ao inverso da Resistência Térmica Total - Rt.

Considere-se uma parede plana que está exposta a um fluído quente numa face e a um fluído

mais frio na outra face, representada na Figura 12.

A distribuição de temperatura num corte transversal de um elemento de um edifício é

importante em muitos aspectos (protecção do material, conforto térmico).

A temperatura do ar interior e exterior são conhecidas. O fluxo de calor é inversamente

proporcional à resistência. Num estado estacionário o fluxo de calor é igual para todos os

planos do corte transversal, ou através de qualquer camada, os fluxos de “chegada” são iguais

aos fluxos de “partida”. Assim, o fluxo de calor é sempre o mesmo:

Figura 12 – Parede plana exposta a um fluído quente numa face e a um fluído mais frio na outra face


��


Se a parede for composta a redução de temperatura em cada camada é proporcional à sua

resistência térmica, ou seja, uma camada do isolamento térmico é assinalada por uma queda

acentuada da temperatura, conforme se pode ver na Figura 13.

Figura 13 – Redução da temperatura em paredes multicamadas

Eliminando as temperaturas T1,T2 e T3.


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O calor total transferido pelos mecanismos combinados de condução e convecção é

frequentemente expresso em termos de um coeficiente global de transferência de calor - U.

A quantidade de calor é, então, proporcional ao valor de U, à diferença de temperatura entre o

ar interior e exterior, ∆T, e à área da superfície.

Resumindo, para elementos homogéneos (por exemplo uma parede simples de betão armado,

sem isolamento e sem reboco), ou heterogéneos em espessura (parede dupla de tijolo furado):

ou seja


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Quando os elementos são heterogéneos em superfície define-se um U médio, Um, dado por:

Sendo:

Ai - área do elemento da envolvente (perpendicular ao fluxo) (m2)

U - coeficiente global de transferência de calor (W/m2.ºC)

hi e he - condutância térmica superficial interior e exterior, respectivamente, (traduz a soma das

trocas por convecção e radiação entre o paramento e o fluído, por unidade de superfície e de

diferença de temperatura) (W/m2.ºC).

O valor destas grandezas é fortemente condicionado pela parcela devida à convecção, a qual

depende principalmente da diferença de temperatura entre o ambiente e o paramento, da

rugosidade da superfície, da velocidade com que o fluido circula sobre a superfície e da

orientação do sentido do fluxo

e - espessura do elemento (m)

K - condutibilidade térmica do material que constitui o elemento ou a camada (W/m.ºC),

depende das características do material (massa específica, porosidade, teor de humidade),

sendo, em geral, elevada para materiais densos e crescendo com o teor de humidade para o

mesmo material.

- resistência térmica (à transmissão por condução) (m2.ºC/W)

- condutância térmica (W/m2.ºC)

A importância do sentido do fluxo nas trocas de calor por convecção nos elementos horizontais.

Considerando o exemplo de uma laje de cobertura de um edifício, representada na Figura 14

enquanto a situação de fluxo ascendente (temperatura exterior mais baixa que a interior)

favorece o aumento das correntes de convecção e, em consequência, das trocas, no caso do

fluxo descendente (temperatura exterior mais elevada que a interior) estas correntes são

contrariadas tendendo a verificar-se uma estratificação de temperaturas.

Assim, o valor de he é normalmente bastante mais elevado do que o de hi, uma vez que neste

caso a velocidade do ar em contacto com o paramento é, em geral, baixa (inferior a 0,5 m/s),


��


enquanto que no primeiro caso tratando-se de um ambiente exterior com facilidade ocorrem

velocidades da ordem dos 4 a 6 m/s, dando lugar a valores elevados do respectivo coeficiente.

É assim corrente encontrar, para paramentos verticais, valores de he da ordem dos 18 a 30

W/m2.ºC, enquanto para hi se ficam por 6 a 9 W/m2.ºC [1]. No caso dos elementos horizontais

o valor de hi pode variar entre 5 a 10 W/m2.ºC, em função do sentido do fluxo

(respectivamente, descendente ou ascendente).

Figura 14 – Importância do sentido do fluxo no coeficiente de condutância térmica superficial.

No caso de uma das camadas ser um espaço de ar substitui-se na equação do coeficiente

global de transferência de calor o valor de ei / Ki pela resistência equivalente do espaço de ar.

Num espaço de ar ocorre um processo de transferência de calor combinado, por condução,

convecção e radiação. Existe um fluxo de calor por condução entre as superfícies limites, tal

como mostra a Figura 15. Este será proporcional à espessura, se não existir movimento de ar

na caixa-de-ar. Se a caixa-de-ar é de pequena espessura ou se existir estratificação do ar (em

espaços de ar horizontais) evitando o movimento de ar intenso, o efeito de isolamento do ar

estacionário é que prevalece.

Devido à diferença de densidade desenvolve-se a circulação natural de ar, acompanhada de

transferência de calor por convecção, em espaços de ar verticais e, dependendo da direcção

do fluxo de calor, em horizontais, tal como representado na Figura 15. Quanto mais maior é a

espessura da caixa-de-ar, maior é a transferência de calor por convecção. A convecção na

caixa-de-ar depende também da inclinação dos painéis que a encerram.

Da consideração dos dois efeitos acima mencionados, resulta uma espessura óptima.

Figura 15 – Formas de transferência de calor numa caixa-de-ar


��


3. CARACTERIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE

EDIFÍCIOS

As condições de conforto higrotérmico dos utentes de um edifício podem ser asseguradas por

diversos processos – os quais podem exigir diferentes recursos económicos

Figura 16 – Formas de satisfazer as exigências de conforto térmico [1]

Pode assim observar-se que diversas formas da envolvente e constituição interior – a que

certamente corresponderão diferentes custos iniciais de construção – podem proporcionar

idênticas condições de conforto embora com custos de exploração (em energia de

aquecimento e/ou arrefecimento) também diferenciados.

• Os custos de exploração, para a satisfação das exigências de conforto higrotérmico

dependerão, para além do tipo e morfologia do edifício, também do clima da região

onde se implanta a construção, formas de exposição e condições circundantes desta,

podendo, nalguns casos ser obtido com valores muito reduzidos.

De um modo geral, com a caracterização do comportamento térmico dos edifícios o que se

pretende é a simulação do balanço termo-higrométrico entre os ambientes interior e exterior do

edifício, que permita resolver, fundamentalmente, os seguintes problemas correntes:

• Em condições de Inverno

- determinação do fluxo de calor a fornecer ao edifício e da potência do equipamento

necessária para que a sua temperatura interior se mantenha aproximadamente constante

ou superior a um mínimo admissível – caso dos edifícios com ocupação permenente;

- determinação do fluxo de calor a fornecer e da potência do equipamento necessária

para que a temperatura interior se mantenha praticamente constante em torno de um

dado valor limite inferior ao longo de um dado período do dia, com consumo diário mínimo

– caso dos edifícios com ocupação parcial.

• Em condições de verão

- determinação do fluxo de calor que importa evacuar e da potência do equipamento de

arrefecimento necessária para que a temperatura do ar no interior não ultrapasse um

dado limite admissível;


��


- determinação da temperatura interior na ausência de meios de climatização artificial.

Figura 17 - Balanço térmico em edifícios [1]

GANHOS SOLARES + GANHOS INTERNOS + ENERGIA AUXILIAR (DE AQUECIMENTO OU ARREFECIMENTO) =

PERDAS ATRAVÉS DA ENVOLVENTE (POR VENTILAÇÃO E CONDUÇÃO)

3.1 NOÇÕES BÁSICAS SOBRE O BALANÇO TÉRMICO EM EDIFÍCIOS:

ISOLAMENTO TÉRMICO E INÉRCIA TÉRMICA

Quer os valores previsíveis para o consumo de energia ao longo de toda uma estação, de

aquecimento ou de arrefecimento, quer a potência máxima estimada a fornecer, decorrem do

balanço entre perdas (ganhos) de calor através da envolvente e os ganhos decorrentes da

energia solar e da ocupação interna.

Neste balanço desempenham papel preponderante, duas características da construção: o

isolamento térmico da sua envolvente e a sua inércia térmica interior.

3.1.1. ISOLAMENTO TÉRMICO DA CONSTRUÇÃO

O isolamento térmico da envolvente da construção traduz a capacidade que aquela tem de se

opor à passagem do calor (do interior para o exterior, no Inverno, ou do exterior para o interior,

durante o Verão) entre o ambiente que os separa.


��


Figura 18 - Consumo de energia num edifício [1]

Assim, por exemplo, se admitirmos uma situação em que o ambiente exterior se mantém a uma

temperatura baixa e praticamente constante (como sucede nalguns dias de Inverno) e

pretendermos que a temperatura do ambiente interior se mantenha dentro de limites de

conforto (18/19ºC), teremos que fornecer uma quantidade de calor que será igual àquela que

se está a “perder” entre o interior e o exterior.

Quanto mais fácil for a passagem de calor através dos elementos da envolvente, mais elevada

será a quantidade de calor a fornecer para manter a temperatura num valor fixado.

A “passagem” de calor através de um elemento de construção pode ser calculada por:

)�(� SK Q ei −=

Figura 19 - Transmissão do calor através de um elemento de construção [1]

em que:

Q – fluxo de calor trocado entre o interior e o exterior (W);

S – superfície do elemento da envolvente (perpendicular ao fluxo – m2);

−ei � e� temperatura do ar, respectivamente no interior e no exterior (ºC);

K (U) – coeficiente de transmissão térmica médio da parede (W/m2.ºC);


��


Da expressão anterior observa-se que quanto maior for o valor de K tanto maior será a

transmissão (perda) de calor através do elemento. Esta passagem de calor através de um

elemento que separa dois ambientes pode ser simplificadamente explicada pelos seguintes

processos (fig. 19):

A troca de calor entre o ambiente interior e a superfície do elemento de construção dá-se por

radiação (do contorno), por convecção e pode escrever-se na forma:

)�(� S hq siii −=

em que hi – condutância térmica superficial interior – traduz a soma das trocas por

convecção e radiação entre o paramento e o fluído, por unidade de superfície e de diferença de

temperatura.

De igual modo se pode escrever a troca de calor entre a superfície exterior do elemento e o

ambiente respectivo:

)�(� S hq esee −=

em que he – condutância térmica superficial exterior – se define de forma semelhante à

anterior.

O valor destas grandezas é fortemente condicionado pela parcela devida à convecção, a qual

depende principalmente da diferença de temperatura entre o ambiente e o paramento, da

rugosidade da superfície, da velocidade com que o fluído “desliza” sobre a superfície e da

orientação do sentido do fluxo.

É facilmente reconhecível a importância do sentido do fluxo nas trocas por convecção com

elementos horizontais. Considerando, por exemplo, uma laje de cobertura de um edifício,

enquanto a situação de fluxo ascendente (temperatura exterior mais baixa que a interior)

favorece o aumento das correntes de convecção e, consequentemente, as trocas de calor, no

caso do fluxo descendente (temperatura exterior mais elevada que a interior) estas correntes

são contrariadas tendendo até a verificar-se uma estratificação de temperaturas.

Figura 20 – Importância do sentido do fluxo no coeficiente de condutância térmica superficial [1]


��


Decorre do exposto que he é normalmente bastante mais elevado do que hi, uma vez que neste

caso a velocidade do ar em contacto com o paramento é, normalmente, baixa (inferior a 0,5

m/s) enquanto que no primeiro caso, tratando-se de um ambiente exterior facilmente ocorrem

velocidades da ordem dos 4 a 6 m/s dando lugar a valores elevados do respectivo coeficiente.

È assim corrente encontrar-se para paramentos verticais, valores de he da ordem do 18 a 30

W/m2.ºC enquanto para hi se ficam por 6 a 9 W/m2.ºC.

No caso dos elementos horizontais o valor de hi pode variar do simples ao dobro (de 5ª 10

W/m2.ºC) em função do sentido do fluxo (respectivamente descendente ou ascendente).

Relativamente à Figura 19, entre as faces Si e Se, o fluxo de calor percorre, por condução, a

espessura do elemento (parede homogénea) podendo o seu valor ser traduzido por:

)�(� S e�

Q sesi −=

em que:

e – espessura da parede (m)

� – condutibilidade térmica do material que constitui a parede (W/m.ºC)

Este parâmetro � – condutibilidade térmica – depende das características do material (massa

específica, porosidade, teor de humidade) sendo normalmente elevada para materiais densos

e crescendo com o teor de humidade para o mesmo material.

A expressão anterior pode ainda escrever-se na forma:

)�(� S KQ sesip −=

em que Kp= �/e se designa por condutância térmica do elemento de construção – (W/m2.ºC).

O inverso desta grandeza (1/Kp = e/� = R) traduz a resistência térmica (à transmissão por

condução) do elemento, que se exprime naturalmente em (m2.ºC/W).

Tendo presente que o fluxo de calor que atravessa a parede é constante ao longo do tempo, as

relações anteriores podem pôr-se na forma:

)�(� S h)�(� S . �/e)�(� S h)�(� SK Q eseeseissiiiei −=−=−=−=

ou

)�(� S R1

)�(� S . �/e)�(� S R1

)�(� S UQ esese

seissiisi

ei −=−=−=−=

Desta expressão verifica-se que o coeficiente de transmissão térmica global U para um

elemento homogéneo ode ser traduzido pela expressão:


��


ie h1

�

eh1

U++=1

(m2.ºC/W).

ou

Ou ainda, atendendo aos valores de Kp e R, pelas expressões equivalentes:

ipe h1

K1

h1

U1 ++= ou RsiRRse

U1

p ++=

Este valor 1/U – por vezes designado resistência térmica total Rt, traduz a oposição

(resistência) à passagem de calor pelo elemento de construção caracterizando assim o seu

isolamento térmico.

Em geral, na construção corrente, os elementos são heterogéneos na sua constituição

podendo assim considerar-se englobados em duas situações específicas:

- elementos constituídos por diferentes camadas ao longo da sua espessura;

- elementos com superfícies heterogéneas

Para elementos heterogéneos em espessura (exemplo da Figura 21), o valor de U será:

Figura 21 – Parede heterogénea em espessura [1]

Rsi�

e�

e�

eRse

h1

�

eh1

U1

3

3

2

2

1

1

i

3

1i i

i

e++++=++= �

=


��


No caso de uma das camadas ser um espaço de ar basta substituir na expressão anterior o

valor de ei/�i pela resistência equivalente do espaço de ar, cujos valores se indicam no

Quadro seguinte.

Quadro 1 – Valores da resistência de espaços de ar não ventilados (m2.ºC/W) – RCCTE

Quando as paredes são heterogéneas em superfície, define-se um U médio dado por:

�

�

=

==n

1ii

n

1iii

mS

S UU

Figura 22 – Parede heterogénea em superfície [1]

Para efeitos práticos de aplicação, adoptam-se para as condutâncias térmicas superficiais

valores correspondentes a condições médias convencionais sendo correntes as que constam

no Quadro seguinte.


��


Quadro 2 – Valores convencionais das resistências térmicas superficiais - RCCTE

4. EXEMPLOS DO CÁLCULO DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO

TÉRMICA DE ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO

4.1. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA DUMA PAREDE

SIMPLES DE BETÃO

A parede simples de betão pode ser assimilada a uma placa de material homogéneo de

espessura e e coeficiente de condutibilidade térmica �.

Admite-se que a espessura da parede seja de 0,20 m e o valor da condutibilidade térmica

�=1,75 W/m2.ºC, para betões de inertes pesados (massa específica ≅ 2400kg/m3)

Figura 23 – Parede de betão [1]

e


��


O coeficiente de transmissão térmica global U da parede de betão, pode ser obtido por

aplicação da expressão:

si

p

se

ie

RK1

Rh1

�

eh1

U1 ++=++= (m2.ºC/W).

O segundo membro da expressão traduz o somatório das resistências térmicas parciais

constituídas pelas resistências térmicas superficiais (respectivamente, interior e exterior) e pela

da parede propriamente dita.

O valor de U da parede será dado por:

274,012,01,750,20

04,0U1 =++= (m2.ºC/W). � U = 3,65 (W/m2.ºC).

4.2. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA DUMA PAREDE

DUPLA. O PANO EXTERIOR EM BETÃO, CAIXA-DE-AR COM 4 CM E O PANO

INTERIOR DE BLOCOS DE BETÃO CELULAR DE 10 CM DE ESPESSURA E

ACABAMENTO EM ESTUQUE DE GESSO

A parede descrita pode ser assimilada a um elemento heterogéneo em espessura, em que a

resistência térmica total é o somatório das resistências térmicas parciais. O valor de U será

dado pela expressão:

Figura 24 – Parede dupla com caixa-de-ar[1]


��


si

4

4

3

32

1

1se

i

4

1i i

i

ei

4

1ii

e

R�

e�

eR

�

eR

h1

�

eh1

h1

Rh1

U1 +++++=++=++= ��

== (m2.ºC/W)

em que:

R1= e1/�1 - resistência térmica da parede de betão (e1=0,20; �1= 1,75 W/m.ºC);

R2 - resistência térmica do espaço de ar (do Quadro (?) obtém-se para valor

correspondente à espessura de 4 cm o valor de 0,16 m2.ºC/W)

R3= e3/�3 - resistência térmica da parede de blocos de betão celular que se pode

considerar parede homogénea com espessura de 0,10 m e para valor da

condutibilidade térmica adopta-se para �3= 0,2 W/m.ºC;

R4= e4/�4 - resistência térmica do estuque de gesso, camada homogénea de espessura

0,01 m; o valor da condutibilidade térmica �4= 0,4 W/m.ºC.

Rse=0,04 m2.ºC/W - resistência térmica superficial exterior

Rsi=0,12 m2.ºC/W - resistência térmica superficial interior

Nestas condições o valor de U da parede é dado por:

96,012,040,001,0

20,010,0

16,01,750,20

04,0U1 =+++++= (m2.ºC/W)

donde

U=1,05 W/m2.ºC


��


4.3. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA K DE UMA

COBERTURA EM TERRAÇO NÃO ACESSÍVEL, DE TIPO INVERTIDO, COM A

SEGUINTE COMPOSIÇÃO.

Figura 25 – Cobertura em terraço não acessível

� - Laje maciça de betão com 0,12 m de espessura

� - Camada de forma em argamassa (betão) celular com espessura média de 0,06 m

� - Impermeabilização com sistema monocamada em tela de PVC (espessura 2 mm)

� - Camada de isolamento térmico em poliestireno extrudido com 0,04 m de espessura

� - Camada de protecção em areão ou seixo, com espessura média de 0,05 m

De forma análoga ao exemplo anterior, o valor de U será dado por:

si

5

1i i

ise

i

5

1ii

e

R�

eR

h1

Rh1

U1 ++=++= ��

== (m2.ºC/W)

A diferença mais significativa neste caso decorre do facto de se tratar de um elemento de

construção “horizontal”, onde se fará sentir a importância do sentido do fluxo.

Com efeito, qualquer que seja o sentido do fluxo, o somatório Σei/�i será idêntico (a resistência

térmica do elemento à condução R – ou o seu inverso, condutância térmica Kp- mantém-se)

mas os valores das resistências térmicas superficiais – particularmente, o da interior Rsi, -

alteram-se em função do sentido do fluxo.

Da consulta do Quadro 2, pode verificar-se que o valor de Rse se mantém em 0,04 m2.ºC/W,

enquanto para Rsi se assumem os valores de:

�

�

�

� �


��


Fluxo ascendente: Rsi= 0,10 m2.ºC/W

Fluxo descendente: Rsi= 0,17 m2.ºC/W

Assim, o coeficiente de transmissão térmica U da cobertura, com os valores de �

correspondentes, terá em função do sentido do fluxo, os seguintes valores:

Fluxo ascendente

46,110,00,105,0

04,004,0

4,0002,0

3,006,0

1,750,20

04,0U1 =++++++= m2.ºC/W

� U = 0,68 W/m2.ºC

Fluxo descendente

53,117,00,105,0

04,004,0

4,0002,0

3,006,0

1,750,20

04,0U1 =++++++= m2.ºC/W

� U = 0,65 W/m2.ºC

4.4. CÁLCULO DO COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA DE UMA

COBERTURA INCXLINADA, COM DESVÃO VENTILADO, COM AS

CARACTERÍSTICAS QUE SE INDICAM NA FIGURA

Figura 27 – Cobertura inclinada com desvão ventilado [1]

A expressão a adoptar para o cálculo do coeficiente de transmissão térmica – dado tratar-se de

um elemento com heterogeneidade em superfície – é a seguinte, atendendo-se ainda ao facto

de o elemento ser horizontal fazer depender o resultado do sentido do fluxo.


��


A hipótese admitida de desvão muito ventilado torna possível desprezar a sua contribuição

para o isolamento térmico da cobertura, limitando-se este ao conferido pelo conjunto da laje de

esteira/tecto (o revestimento do telhado – telhas ou canaletes – limita-se assim a conferir

protecção solar e impermeabilização à cobertura).

O fluxo de calor encontra paralelamente ao seu sentido duas zonas termicamente distintas:

• Zona maciça em betão (z.m)

ebiz.m h1

�

eh1

U1 ++=

369,0059,0990,0Sz.m =×−= m2/m

209,004,01,75

0,020,080,0210,0

1

Ua

z.m

=++++= m2.ºC/W

79,4Uaz.m = W/m2.ºC (fluxo ascendente)

279,004,01,75

0,020,080,0217,0

1

Udz.m

=++++= m2.ºC/W

59,3Udz.m = W/m2.ºC (fluxo descendente)

• Zona vazada (z.v)

eb

ear

b

i

iz.v h1

�

eR

�

eh1

U1 ++++=

531,0059,09Sz.v =×= m2/m

303,004,01,750,02

14,01,750,02

10,01

Ua

z.v

=++++= m2.ºC/W

30,3Uaz.v = W/m2.ºC (fluxo ascendente)

443,004,01,750,02

21,01,750,02

17,01

Udz.v

=++++= m2.ºC/W

26,2Udz.v = W/m2.ºC (fluxo ascendente)


��


O valor final do coeficiente de transmissão térmica será dado por:

z.vz.m

z.vz.vz.mzmSS

S US UU

+×+×=

E, consoante o sentido do fluxo, ter-se-á:

Fluxo ascendente:

9,3531,0369,0

0,531 30,30,369 79,4Ua =

+×+×= W/m2.ºC

Fluxo descendente:

8,2531,0369,0

0,531 26,20,369 59,3Ud =

+×+×= W/m2.ºC

5 INÉRCIA DA CONSTRUÇÃO

O regime permanente só por simplicidade se pode considerar numa abordagem ao estudo da

térmica de edifícios.

Grande número das situações que ocorrem quotidianamente, não se enquadram naquela

hipótese e tal pode constatar-se pela simples observação do comportamento térmico de

diferentes edifícios, traduzido pela evolução das temperaturas do ar ambiente em espaços com

exposição, situação e dimensões relativamente semelhantes.

Dessa observação poderá deduzir-se que quanto mais “pesado” é o edifício, mais amortecida e

desfasada é a onda de calor que se transmite do exterior, facto que traduz a inércia térmica da

construção.

Embora a afirmação não seja totalmente correcta – pois o que importa é a difusibilidade térmica

dos elementos de construção (a difusibilidade térmica é a razão entre a condutibilidade térmica

e o produto da massa específica pelo calor específico, designando-se correntemente pela letra

α (α=�/ρ.c)


��


Caso A – Massa da parede em contacto directo com o ambiente interior e protegida do

ambiente exterior

Figura 28 – Importância da massa e da colocação do material de isolamento térmico na inércia térmica da

construção (isolamento pelo exterior) [1]

Durante o período diurno, em que se observa uma grande elevação da temperatura do ar

exterior e forte radiação solar, há injecção de calor no compartimento (radiação solar através

da vidraça e fluxo de calor por condução, convecção e radiação através das paredes). Parte

significativa deste calor “penetra” na envolvente interior constituída pelas paredes e lajes de

betão ou alvenaria, as quais necessitam de enorme quantidade para uma pequena elevação da

temperatura. Assim, a temperatura do ar no compartimento sobe muito lentamente.

Durante o período nocturno, em que no exterior se verifica uma acentuada e rápida queda de

temperatura, observam-se perdas no ambiente anterior para o exterior então mais frio) mas a

enorme massa interna das paredes e lajes vai libertando o calor acumulado durante o dia

sendo assim a queda de temperatura no interior também bastante lenta.

Caso B – Massa da parede separa do ambiente interior por revestimento de isolamento

térmico

Figura 29 – Importância da massa e da colocação do material de isolamento térmico na inércia térmica da

construção (isolamento pelo interior) [1]


��


Neste caso a “injecção” de calor no compartimento é quase totalmente repercutida na elevação

da temperatura do ar, dada a oposição que o material de isolamento térmico põe à sua

passagem e consequentemente, à sua “absorção” pela massa dos elementos interiores.

Dado não ter havido acumulação de calor nestes elementos ao longo do dia, quando durante o

período nocturno ocorre, a queda de temperatura no exterior é quase imediatamente

acompanhada por queda semelhante no ambiente interno.

A inércia térmica de um local traduz então a reacção que aquele apresenta a modificar o seu

estado térmico, isto é, a maior ou menor rapidez com que “aquece” ou “arrefece”.

Se se considerar, por exemplo, o arrefecimento durante o período nocturno duma parede

homogénea, a taxa de arrefecimento pode ser expressa nos seguintes termos:

) t /mc� ( exp �� 0 −=

Figura 30 – Arrefecimento de uma parede homogénea [1]

em que:

θ - Temperatura instantânea da parede

θ0 - Temperatura inicial da parede

� - Condutibilidade térmica da parede

t - tempo decorrido desde o início do processo

m - massa da parede

c - calor específico do material

O RCCTE considera a caracterização da inércia térmica a partir da quantificação da massa

superficial útil total por unidade de área do local It.

Esta massa superficial útil é calculada a partir do somatório da massa superficial útil Mi

correspondente a cada elemento, a qual é função da localização deste no edifício e da sua

constituição, nomeadamente, da existência ou não de revestimentos com significativo

isolamento térmico e do posicionamento do material isolante térmico (quando este exista) nos

elementos da envolvente.


��


O total da massa superficial útil (contabilizável para a acumulação de energia) dum local vem

dado por:

�= iit S M M (kg)

em que:

Mt – massa total útil (kg);

Mi – massa superficial útil do elemento i a considerar (kg/m2);

Si – superfície do elemento i a considerar (m2)

A massa superficial útil por unidade de área de pavimento It, será dada por:

piiptt A/S M A/MI �== (kg/m2)

A classificação da inércia térmica dos locais é então estabelecida em função do valor de It, de

acordo com o Quadro 3.

Quadro 3 – Classificação da Inércia térmica interior (RCCTE)

5. PONTES TÉRMICAS

Ao isolar uma parede, há que ter em conta a presença de eventuais pontes térmicas, zonas

que, por não estarem isoladas termicamente, têm uma resistência térmica inferior à da restante

envolvente, representando uma descontinuidade onde se poderá verificar a ocorrência de

patologias com origem em fenómenos de condensação.

Exemplos destas heterogeneidades na envolvente vertical dos edifícios são:

- os elementos estruturais como topos de laje, vigas e pilares.

- vãos e, nomeadamente, caixas de estore.


��


Figura 31 – Heterogeneidades na envolvente dos edifícios

Refira-se, a título de exemplo, que num edifício de habitação com estrutura constituída por

pilares, vigas e lajes em betão armado e isolamento térmico aplicado na caixa-de-ar de

paredes duplas, e não considerando a correcção das pontes térmicas, poder-se-á verificar um

acréscimo de 20% a 30% de perdas térmicas, quando comparadas com a situação de pontes

térmicas corrigidas.

Adicionalmente, e como já referido, uma ponte térmica aumenta consideravelmente o risco de

ocorrência de condensações superficiais, com a consequente formação de patologias.

Segundo o diagrama de temperaturas de uma parede, a temperatura superficial interior, Tsi, é

igual a:

U

Tsi = Ti - ——— (Ti - Te)

hi

em que:

Ti temperatura do ambiente interior.

Te temperatura do ambiente exterior.

hi coeficiente de transmissão térmica superficial interior, em W/m2°C.

U coeficiente de transmissão térmica do elemento da envolvente, em W/m2°C.

Assim, ao aumentar o valor de U (como acontece com as pontes térmicas, que têm um valor U

superior ao valor U de zona corrente da parede), diminui Tsi e aumenta o risco de

condensações superficiais interiores. O fenómeno de condensação ocorre quando

Tsi = temperatura do ponto de orvalho.


��


De referir ainda que determinadas patologias podem formar-se sem ser atingido o valor de

100% de humidade relativa, ou seja, antes de se verificar a condensação, podendo ser

suficiente um valor de 80% a 85% HR.

Por outro lado, nas zonas de ponte térmica, verifica-se um aumento dos fluxos de calor e vapor

de água. Este aumento é tanto maior quanto maiores forem a resistência térmica e a

resistência à passagem de vapor em zona corrente da parede. Um maior fluxo de calor

associado a um maior fluxo de vapor de água dá, mais uma vez, origem ao fenómeno de

condensação, uma vez que mais facilmente se chegará à pressão de vapor de saturação no

interior da parede.

BIBLIOGRAFIA

[1] A. Canha da Piedade, A., Moret Rodrigues, Luís F. Roriz (2003), “Climatização em

Edifícios – Envolvente e Comportamento Térmico”, Edições Orion, Amadora

[2] Manuela Almeida, Sandra Silva (2007), Apontamentos de Climatização e Instalações

das Construções II – Universidade do Minho

termica de edifícios_2010

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