Rui Alexandre Garrido Matos Pereira
Otimização da sustentabilidade
do edifício WEeB Living Lab
Rui Alexandre Garrido Matos Pereira
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Otimização da sus
tent
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Ricardo Filipe Mesquita Mateus
Professora Doutora Sandra Monteiro Silva
Rui Alexandre Garrido Matos Pereira
Otimização da sustentabilidade
do edifício WEeB Living Lab
Agradecimentos
Concluída mais uma importante etapa do meu caminho, não posso deixar de demonstrar a minha gratidão a todos aqueles que desde o início estiveram comigo, fosse em apoio mais técnico ou em apoio motivacional.
Ao meu orientador, Professor Doutor Ricardo Mateus, que sempre me soube orientar de forma cuidada, exigente e com sentido crítico, tornando-se assim fundamental para a realização deste trabalho.
À Professora Doutora Sandra Silva que sempre esteve disponível e sempre apoiou nas mais variadas situações que este trabalho teve.
Aos meus pais e irmão, pelo apoio o incondicional apoio, confiança e motivação que sempre deram desde o primeiro até ao último dia.
À minha namorada pela paciência, compreensão e apoio que sempre teve ao longo deste caminho.
Resumo
Desde há vários anos que o ser humano tem vindo a usar de forma excessiva os recursos naturais que a o planeta proporciona, levando esses recursos muitas vezes ao limite ou escassez total, isso tem contribuído em muito para a degradação do meio ambiente e da biodiversidade. No século XIX com a revolução industrial, começou a haver uma dependência energética da humanidade, dependência essa que na altura não se conseguia colmatar apenas com as energias renováveis existentes. Foi crescendo assim a preocupação internacional relativa ao rumo que a degradação do meio ambiente e o crescimento da poluição estavam a tomar. Em 1970, essa preocupação deu frutos e na “UN Stockholm Conference on the Human Environment” ficou definido pela primeira vez a necessidade de práticas sustentáveis no mundo e nasceu com isso o conceito de Desenvolvimento Sustentável (UNEP, 2013). Sendo o setor da construção um dos principais protagonistas na utilização de recursos naturais, no consumo de energia, na produção de resíduos sólidos e na poluição do meio ambiente, é imperativo uma mudança no tipo de soluções construtivas. Em busca de uma solução sustentável na construção e capaz de ser aplicada na realidade, foi desenvolvido este estudo. Onde, recorrendo a um projeto de um edifício considerado tradicional em Portugal, se fez uma análise das variáveis existentes nos edifícios consideradas importantes para o aumento do nível de sustentabilidade, variáveis como a definição da envolvente, escolha de equipamentos adequados a garantir o conforto térmico dos ocupantes e a definição de soluções de produção de energia elétrica e o reaproveitamento de águas pluviais. Além disso, este estudo procura fazer uma análise económica das soluções adotadas, através do TIR e VAL, verificando-se a viabilidade económica das escolhas feitas e a sua aplicabilidade à realidade atual.
Palavras Chave: Desenvolvimento Sustentável; Soluções Construtivas; Envolvente;
Abstract
Since many years the human kind has been using in an excessive way the natural resources that the earth proportionate us, leading theses resources in many times to the limit or total absence, that as contributed much for the degradation of the environment and biodiversity. In the XIX century, with the industrial revolution began to be an energy dependence of humanity, dependence that at the time wasn’t overcome only with renewable energy. With this as grown over the time the international preoccupation about the environmental degradation and the increase of pollution in the world. In 1970, the “UN Stockholm Conference on the Human Environment” was held and has been defined for the first time the need for sustainable practices in the world and has born the new concept of Sustainable Development (UNEP, 2013). Being the construction setor a major consumer of natural resources, energy consumption, production of solid waste and pollution of the environment, it is imperative a change in the type of constructive solutions. In order to find a sustainable solution in the construction and capable of being applicable in reality, was developed this study. Using a design of a building situated in Portugal, an analysis of the building variables was made, variables that are important for the goal of sustainable buildings. Things like building envelope, equipment’s choice of suitable equipment to ensure thermal comfort of the occupants and defining solutions for power generation and reuse of rainwater. Additionally, this study seeks to do an economic analysis of the solutions adopted by the IRR and NPV, checking the viability of the choices made and their applicability to the current reality.
Keywords: Sustainable Development; Constructive Solutions; Envelope; Equipment’s;
Índice
1. Introdução ... 1
1.1 Edifício sustentável ... 2
1.2 Objetivos ... 3
1.3 Estrutura dissertação ... 5
2. Revisão do estado de arte ... 7
2.1. Melhorias da eficiência térmica, desempenho energético, conceitos NZEB e PEB e edifícios passivos ... 7
2.2. Medidas para a diminuição do consumo de água nos edifícios ... 15
2.2.2. Tratamento e aproveitamento de águas cinzentas (AC) ... 20
2.3. Sustentabilidade Alimentar (SA) ... 22
2.4. Edifício sustentável num todo (envolvente, energia e água) ... 23
3. Metodologia ... 25
3.1. Caracterização do edifício e estudo da envolvente ... 26
3.1.1. Considerações sobre a avaliação do desempenho térmico ... 27
3.1.2. Solução inicial ... 32
3.1.3. Soluções de aumento em 25% e 50% da espessura do isolamento na envolvente, cenários II e III ... 36
3.1.4. Solução otimizada e fachada ventilada, cenários IV e V ... 38
3.2. Escolha dos equipamentos ... 41
3.2.1. Painéis Solares ... 43
3.2.2. Caldeira a pellets e recuperador a lenha ... 47
3.2.3. Bomba de Calor ... 48
3.2.4. Painéis Fotovoltaicos ... 48
3.2.5. Sistema de reaproveitamento de águas pluviais ... 50
3.3. Análise económica dos cenários ... 51
4. Aplicação da metodologia ao caso de estudo edifício sustentável ... 53
4.1. Caracterização da eficiência energética do edifício... 54
4.1.1. A eficiência energética e a sua importância ... 54
4.1.2. Características do projeto e edifício ... 54
4.1.3. Solução Inicial ... 55
4.1.4. Solução com aumento em 25% da espessura do isolamento na envolvente ... 58
4.1.5. Solução com aumento em 50% da espessura do isolamento na envolvente ... 60
4.1.6. Solução otimizada ... 62
4.1.7. Solução otimizada com fachada ventilada ... 65
4.2. Análise dos diferentes equipamentos para o respetivo cenário e análise económica (TIR e VAL) ... 69
4.2.1. Cenário I ... 69
4.2.1.1. Aquecimento ... 69
4.2.1.2. Arrefecimento ... 69
4.2.1.3. AQS ... 69
4.2.1.4. Custos inicial e anuais do cenário I... 71
4.2.2. Cenário II ... 72
4.2.2.1. Aquecimento/AQS ... 72
4.2.2.2. Arrefecimento ... 73
4.2.2.3. Custos inicial e anuais do cenário II ... 73
4.2.3. Cenário III ... 74
4.2.4. Cenário IV ... 76
4.2.4.1. Aquecimento, arrefecimento e AQS ... 76
4.2.4.3. Custos inicial e anuais do cenário IV ... 79
4.2.5. Cenário V ... 79
4.2.5.1. Aquecimento, arrefecimento e AQS ... 80
4.2.5.3. Reaproveitamento de águas pluviais ... 82
4.2.5.4. Custos inicial e anuais do cenário V ... 83
4.2.6. TIR e VAL dos equipamentos e cenários ... 85
4.2.6.1. Cenário II ... 85
4.2.6.2. Cenário III ... 88
4.2.6.3. Cenário IV ... 91
4.2.6.4. Cenário V ... 95
5. Considerações finais ... 101
5.1. Conclusões ao caso de estudo ... 101
5.2. Perspetivas futuras ... 103
Índice de Figuras
Figura 1 - Etiqueta de classificação energética (adaptado de (ADENE, 2013)) ... 8
Figura 2 - Modelos dos dois casos de estudo (adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011)) ... 14
Figura 3 - Esquema dos elementos usados no caso de estudo para um edifício no Sul da Europa adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011) ... 14
Figura 4 - Valores de água consumida e desperdiçada nos vários setores em Portugal (INAG, 2001) ... 16
Figura 5 - Volumes e custos de utilização de água (em %) nos vários setores em Portugal (adaptado de (INAG, 2001)) ... 17
Figura 6 - Sistema típico de recolha de águas pluviais (DRWH) (adaptado de (Li, Boyle & Reynolds, 2010)) ... 19
Figura 7 - Sistema típico de tratamento de águas cinzentas (AC) adaptado de (Li, Boyle & Reynolds, 2010) ... 21
Figura 8 - Representação esquemática das interações de escassez na produtividade agrícola. A grossura das setas demonstra a intensidade das interações. Setas nos dois sentidos indicam feedback não linear. Adaptado de (Freibauer, Mathijs, Brunori et al., 2011) .... 22
Figura 9 - Imagem da secção de caracterização da fração retirada da folha de cálculo ... 28
Figura 10 - Paredes exteriores folha de cálculo DL 118/2013 ... 29
Figura 11 - Espaço não útil retirado da folha de cálculo DL 118/2013... 31
Figura 12 - Cálculo de U da envolvente fachada norte ... 32
Figura 13 - Permeabilidade ao ar solução I retirado da aplicação do LNEC Ventilação REH 34 Figura 14 - Resultados das renovações de ar no inverno e verão no edifício para solução inicial retirado aplicação do LNEC Ventilação REH ... 34
Figura 15 - Paredes exteriores da solução inicial retirado da folha de cálculo DL 118/2013 .. 35
Figura 16 - Vãos envidraçados solução inicial retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 35
Figura 17 - Fatores solares vãos envidraçados solução inicial retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 36
Figura 18 - Aumento em 25 % da espessura do aglomerado de cortiça fachada norte ... 37
Figura 19 - Aumento em 50 % do aglomerado de cortiça fachada norte ... 37
Figura 20 - Alterações fachada norte solução otimizada ... 38
Figura 21 - Alteração fachada norte solução fachada ventilada ... 38
Figura 22 - Permeabilidade ao ar solução II retirado da aplicação do LNEC Ventilação REH ... 39
Figura 23 - Paredes exteriores da solução otimizada retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 39
Figura 24 - Paredes exteriores da solução fachada ventilada retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 40
Figura 25 - Vãos envidraçados soluções otimizada e fachada ventilada retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 40
Figura 26 - Fatores solares vãos envidraçados soluções otimizada e fachada ventilada retirado da folha de cálculo DL 118/2013 ... 41
Figura 27 - Definição do Clima e local adaptado de Solterm 5.0 ... 43
Figura 28 - Características painel solar, depósito cargas e tipo de apoio adaptado de Solterm 5.0 ... 44
Figura 29 - Características técnicas do painel solar adaptado de Solterm 5.0... 45
Figura 30 - Análise energética para o tipo de solução de painéis solares escolhidos adaptado de Solterm 5.0 ... 46
Figura 32 - Uso doméstico das águas (adaptado de (Almeida, 2006)) ... 50
Figura 33 - Custos anuais dos diferentes cenários por tipo de necessidade ... 51
Figura 34 - Custos envolvente solução inicial alçados norte e sul r/c ... 52
Figura 35 - Gráfico representativo da evolução das várias necessidades energéticas desde a solução inicial à final ... 68
Figura 36 - Gráfico dos consumos anuais para cada caso e cada cenário ... 84
Figura 37 - TIR para a caldeira a pellets cenário II ... 86
Figura 38 - VAL caldeira pellets cenário II ... 86
Figura 39 - Taxa interna de retorno para o cenário II ... 87
Figura 40 - Valor atual líquido para o cenário II ... 88
Figura 41 - TIR recuperador a lenha cenário III ... 89
Figura 42 - VAL recuperador a lenha cenário III ... 89
Figura 43 - Taxa interna de retorno cenário III ... 90
Figura 44 - Valor atual líquido cenário III ... 90
Figura 45 - TIR bomba de calor cenário IV ... 92
Figura 46 - VAL bomba de calor cenário IV... 92
Figura 47 - TIR painéis fotovoltaicos cenário IV ... 93
Figura 48 - VAL painéis fotovoltaicos cenário IV ... 93
Figura 49 - Taxa interna de retorno cenário IV ... 94
Figura 50 - Valor atual líquido cenário IV ... 94
Figura 51 - TIR bomba de calor com painéis solares cenário V ... 95
Figura 52 - VAL bomba de calor com painéis solares cenário V... 96
Figura 53 - TIR painéis fotovoltaicos cenário V ... 97
Figura 54 - VAL painéis fotovoltaicos cenário V ... 97
Figura 55 - TIR sistema de reaproveitamento de águas pluviais cenário V ... 98
Figura 56 - VAL sistema de reaproveitamento de águas pluviais cenário V ... 98
Figura 57 - Taxa interna de retorno cenário V ... 99
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB ... 11
Tabela 2 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB, continuação .... 12
Tabela 3 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB, continuação .... 13
Tabela 4 - Legendagem da figura 3 ... 14
Tabela 5 - Necessidades de energia de cada tipo de edifício PH e PE adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011) ... 15
Tabela 6 - Benefícios em diferentes áreas da SA num edifício (Calvet-Mir, Gómez-Baggethun & Reyes-García, 2012; Freibauer et al., 2011;Fernandes Pinto 2007). ... 23
Tabela 7 - Os diferentes cenários adotados e os respetivos equipamentos ... 26
Tabela 8 – Resistências térmicas interior e exterior para a cobertura e laje têrrea ... 33
Tabela 9 - Características do edifício essenciais para o REH ... 55
Tabela 10 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte R/C ... 56
Tabela 11 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte 1º andar ... 56
Tabela 12 - Necessidades energéticas da solução inicial ... 57
Tabela 13 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte R/C com aumento de 25% do isolamento ... 58
Tabela 14 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte 1º andar com aumento de 25% do isolamento ... 59
Tabela 15 - Necessidades energéticas da solução com aumento em 25% de espessura do isolamento ... 59
Tabela 16 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte R/C com aumento de 50% do isolamento ... 60
Tabela 17 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte 1º andar com aumento de 50% do isolamento ... 61
Tabela 18 - Necessidades energéticas da solução com aumento em 50% de espessura do isolamento ... 61
Tabela 19 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente orientada a norte R/C solução otimizada ... 63
Tabela 20 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente orientada a norte 1º andar solução otimizada ... 63
Tabela 21 - Melhorias das alterações de R e de U em percentagem ... 64
Tabela 22 - Necessidades energéticas da solução otimizada ... 65
Tabela 23 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte R/C solução otimizada com fachada ventilada ... 66
Tabela 24 - Tabela representativa dos materiais utilizados para a envolvente exterior orientada a norte 1º andar solução otimizada com fachada ventilada ... 67
Tabela 25 - Necessidades energéticas da solução otimizada com fachada ventilada ... 67
Tabela 26 - As diferentes características do painel solar, custo inicial, percentagem AQS suprimida e custo anual ... 71
Tabela 27 - Custos relativos ao cenário I ... 72
Tabela 28 - Características, custos e poupanças caldeira a biomassa ... 73
Tabela 29 - Custos relativos ao cenário II ... 74
Tabela 30 - Características, custos e poupanças recuperador a lenha ... 75
Tabela 31 - Custos relativos ao cenário III ... 76
Tabela 32 - Características, custos e poupanças para aquecimento, arrefecimento e AQS, bomba de calor Ar-Água ... 77
Tabela 35 – Características, custos e poupanças para aquecimento, arrefecimento e AQS, bomba de calor Ar-Água e painel solar ... 80 Tabela 36 – Características, custos e poupanças para aquecimento, arrefecimento e AQS,
bomba de calor Ar-Água e painel solar ... 81 Tabela 37 - Dados relativos ao sistema de painéis fotovoltaicos cenário V ... 81 Tabela 38 - Custos, quantidades de água aproveitada e poupanças com sistema de
aproveitamento de águas pluviais ... 83 Tabela 39 - Custos relativos ao cenário V ... 84
Lista de acrónimos
AC
–
Águas cinzentasAQS
–
Águas quentes sanitáriasAVAC – Aquecimento, ventilação e ar condicionado COP – Coeficiente de performance
DRWH – Domestic rainwater harvesting system EER – Relação da eficiência energética
ITeCons – Instituto de investigação e desenvolvimento tecnológico em ciências da
construção
LNEC – Laboratório nacional de engenharia civil
Ni – Necessidades nominais anuais máximas de energia útil para aquecimento Nic – Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento
Nt – Necessidades nominais anuais máximas de energia primária Ntc – Necessidades nominais anuais de energia primária
Nv –Necessidades nominais anuais máximas de energia útil para arrefecimento Nvc – Necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento
NZEB – Nearly zero energy building PEB – Passive energy building
PVGIS – Photovoltaic geographical information system
Qa/Ap –Necessidades de energia útil para preparação de AQS supridas pelo sistema Qa/Ap ref. – Necessidades de energia útil para preparação de AQS referência RCCTE – Regulamento das características de comportamento térmico dos edifícios RECS – Regulamento de desempenho energético dos edifícios de comércio e serviços REH – Regulamento de desempenho energético dos edifícios de habitação
SA – Sustentabilidade alimentar TIR – Taxa interna de retorno
U – Coeficiente de transmissão térmica VAL – Valor atual líquido
1. Introdução
Ao longo de vários anos o ser humano tem usado e abusado dos recursos naturais que a terra lhe proporcionou. Isto levou ao início da escassez dos mesmos, bem como à destruição da biodiversidade. Em 1970 na “UN Stockholm Conference on the Human Environment” (UNEP, 2013) foi definida pela primeira vez a necessidade de práticas sustentáveis no mundo, nascendo assim o conceito de Desenvolvimento Sustentável. Desde então tem-se vindo a desenvolver novas práticas e soluções, nas mais variadas áreas existentes no nosso dia à dia, como agricultura, indústria, sociedade, construção, entre outras. Sendo os edifícios dos principais consumidores de recursos energéticos e matérias primas, torna-se necessário mudar o paradigma atual e evoluir no sentido de estes poderem devolver à natureza, tanto quanto possível, aquilo que lhe vai sendo retirado, tanto na fase de construção como no decorrer da vida útil dos edifícios, criando desta forma a Construção Sustentável.
Com o aumento do conhecimento vem também o aumento das responsabilidades. Após a conferência de Estocolmo em 1970, quando se “deu a conhecer” ao mundo o conceito de Desenvolvimento Sustentável, a construção começou necessariamente a procurar soluções que fossem de encontro a este desenvolvimento, tentando diminuir assim a sua enorme responsabilidade na poluição do planeta e na destruição da biodiversidade do mesmo. Em 1994 o conceito de construção sustentável nasceu de forma mais real e efetiva no setor dos edifícios e da engenharia civil (Darda et al., 2014). Desde então tem-se percorrido um longo caminho com novas ideias, soluções, ambições e necessidades capazes de tornar a construção cada vez mais sustentável. Estando o desenvolvimento sustentável e a construção sustentável assente em três pilares fundamentais, o ambiente, a economia e a sociedade, para cada um dos três casos há alguns exemplos de aspetos sustentáveis. O ambiente sofre efeitos no solo, ar, água, biodiversidade, consumo de energia e resíduos, no que a economia diz respeito, tem-se os custos dos ciclos de vida, os custos-benefícios para a sociedade e utilizadores e os custos que representam para os utilizadores durante a vida útil do edifício, relativo à sociedade tem-se efeitos na cultura, acessibilidade, participação de todos os atores, a tem-segurança e a integração social (Darda et al., 2014). Com isto foram aparecendo conceitos construtivos como os NZEB, Passive House, Low Energy Buildings (Pinto, 2012). Nestes conceitos são utilizadas soluções como a escolha adequada da orientação dos edifícios para aproveitar o radiação solar, isolamentos na envolvente dos edifícios e melhores inércias dos mesmos,
equipamentos mais eficientes de classe A, A+ ou superior, como A++, melhorias arquitectónicas, soluções construtivas mais eficientes como por exemplo fachadas ventiladas, sistemas de reaproveitamentos de águas, produção de energia, entre outros (Kapsalaki, Leal & Santamouris, 2012). Estes têm sido a base da construção sustentável e o ponto de viragem dos edifícios tradicionais para edifícios “verdes”.
Atendendo a esta evolução e ao aumento das necessidades de melhoria da construção realizou-se este estudo. Estudo este que pretende englobar alguns dos conceitos antes referidos e com isso ir em busca do edifício sustentável. Onde a partir de um projeto já existente para uma habitação unifamiliar se pretende reformular a envolvente, por forma a se aumentar a sua eficácia energética, térmica e qualidade do ar. Também a escolha dos equipamentos de climatização, bem como a criação de condições de produção de energia, reaproveitamento de águas e cultivo de alimento, vão ter aqui um papel preponderante para a realização deste estudo. Com isto pretende-se comparar as melhorias de conforto, de poupanças energéticas e monetárias das novas soluções, com a solução proposta no projeto inicial.
Tendo em conta o projeto de estudo que se pretende realizar, serão revistas as melhores soluções de aproveitamento energético e de práticas sustentáveis, por forma a ser possível a sua aplicação na realidade atual. Pretende-se que este seja uma mais valia na implementação de condições de sustentabilidade e de harmonia sociedade-natureza. Trabalhar-se-ão soluções de envolvente, conceitos NZEB (Nearly Zero Energy Building), reaproveitamento de águas da chuva e implementação de hortas em casa, tudo sustentado com estudos já realizados em separado, englobando todas as áreas num só edifício.
1.1 Edifício sustentável
Com vista à criação de soluções sustentáveis no edificado Português, é necessário analisar todas as variáveis dos edifícios e as suas importâncias para a garantia de conforto dos utilizadores, conforto este que tem de abranger os três principais pontos da sustentabilidade: ambiente, social e economia.
Partindo de um projeto de um edifício novo que bem representa a generalidade da construção atual, isto, principalmente, no que às soluções construtivas diz respeito, desenvolveu-se esse
mesmo edifício em várias fases, vendo-se assim o tipo de evolução que as soluções proporcionam e qual a melhor opção a adotar.
O edifício sustentável, que se procura atingir é aquele, que mais próximo está de não ter gastos energéticos, que menos água necessitar e que mais conforto consiga garantir aos ocupantes. De forma a se chegar ao edifício sustentável, foram analisadas várias situações importantes do edificado pois, como; a envolvente do edifício e os materiais que a constituem, a escolha acertada dos equipamentos de aquecimento, arrefecimento e águas quentes sanitárias, escolha da solução mais eficiente de produção de energia e ainda o máximo reaproveitamento de águas possível.
Com as situações da construção, economia e desgaste ambiental que atualmente se verificam, é imperativo evoluir no sentido da sustentabilidade na construção, isto é, ter edifícios capazes de reduzir substancialmente os impactes negativos no meio ambiente, na sociedade e na economia.
1.2 Objetivos
O presente estudo tem como objetivo verificar a viabilidade da aplicabilidade no contexto atual da construção de edifícios sustentáveis. Isto é, fazer um estudo e simulação para uma habitação unifamiliar situada no norte de Portugal (Penafiel), que seja capaz de:
Proporcionar e melhorar o conforto durante todas as alturas do ano, para os seus ocupantes, seja conforto térmico, económico e ou social;
Ter produção energética que assegure a totalidade das necessidades energéticas ao longo da sua vida útil;
Reduzir os consumos de água reaproveitando toda quanto possível diminuindo assim as necessidades de se recorrer ao abastecimento público, bem como os custos inerentes à sua utilização;
Ter ambientes interiores não prejudiciais à saúde, quer em termos de materiais e suas escolhas, como na qualidade do ar e as suas renovações;
Apresentar baixos impactes ambientais, uma vez conseguido o que está referido nos pontos anteriores, reduz-se substancialmente a afetação ao meio ambiente e à biodiversidade onde está inserido o edifício.
Feita esta análise, é do maior interesse verificar a sua viabilidade económica, vendo os custos inicial e anual das várias soluções estudadas e daí fazer a verificação da taxa interna de retorno (TIR), calculando-se assim em quanto tempo se consegue obter o retorno dos investimentos inicialmente feitos para tornar o edifício mais sustentável.
1.3 Estrutura dissertação
A presente dissertação é composta por 6 capítulos.
O primeiro capítulo, faz referência ao conceito da construção sustentável e à sua evolução ao longo do tempo, é a introdução à ideologia que está aqui a ser estudada e trabalhada. Exprime os objetivos da mesma e faz referência à sua organização.
O segundo capítulo, faz um retrato geral dos estudos já feitos na área da sustentabilidade, bem como uma abordagem a todos os temas que serão estudados e desenvolvidos neste trabalho. Dá a conhecer alguns conceitos e revela a importância deles na construção sustentável e no processo de se atingir a autossustentabilidade.
Relativamente ao capítulo três, é o capítulo que explica todo o processo necessário para a realização do estudo, explana a metodologia utilizada em cada ponto e dá a conhecer todas as opções tomadas e ferramentas utilizadas. Tenta demonstrar ao máximo todo o processo de cálculo e todas as opções de trabalho adotadas.
No capítulo quatro, é apresentado o caso de estudo, ou seja os resultados obtidos em cada caso e o resultado final. São desde logo retiradas conclusões pontuais e relevantes para o entendimento da conclusão final, apresentados os dados importantes nos valores do projeto e as suas relevâncias nas decisões finais.
O capítulo cinco, o penúltimo capítulo apresenta as conclusões e os trabalhos que se podem fazer futuramente tendo em conta esta dissertação. Inicialmente diz o que se pode retirar dos valores conseguidos no caso de estudo e em que medida isso é benéfico e se está dentro do perspetivado quando se propôs à realização desta dissertação. Já os trabalhos futuros, dão a conhecer algumas ideias a se realizar futuramente no âmbito desta dissertação.
Restando o sexto capítulo que é o representativo da compilação bibliográfica utilizada na realização desta dissertação.
2. Revisão do estado de arte
2.1.
Melhorias da eficiência térmica, desempenho energético,
conceitos NZEB e PEB e edifícios passivos
Os edifícios são responsáveis por 30% a 40% do consumo da energia total e 36% das emissões de CO2 em toda a União Europeia ( Hamdy, Hasan & Siren, 2012), bem como o consumo de 40% dos recursos naturais extraídos, 12% da água potável e produção de 45-65% do lixo que depois é enviado para os aterros (Kabak et al., 2014). Torna-se assim imperativo uma melhoria no modus operandi dos mesmos. Atendendo a estes grandes consumos de energia e às elevadas emissões de CO2 daí originadas, os edifícios são dos que mais largamente contribuem para o efeito de estufa e as alterações climáticas (Kapsalaki, Leal & Santamouris, 2012). Com estas responsabilidades nos consumos de energia e os custos que daí resultam, despoletou-se a procura de soluções que reduzam as necessidades energéticas dos edifícios. Essas soluções caracterizam-se em aumentos da eficiência dos equipamentos elétricos, melhorias nos sistemas de aquecimento e arrefecimento, melhores aproveitamentos da iluminação natural e respetiva redução da iluminação elétrica, etc. denominando-se estas de soluções ativas e melhorias em termos de isolamentos da envolvente, as soluções passivas (Sadineni, Madala, & Boehm, 2011).
Portugal começou a incluir na envolvente dos edifícios o isolamento na década de 1950, componente esta que contribui largamente para um bom desempenho energético dos edifícios (Tirone & Nunes, 2008). O isolamento em edifícios pode ser aplicado de três formas, no interior das paredes, na caixa de ar de paredes duplas ou mesmo pelo exterior, sendo este último o mais eficaz (Mateus & Macedo, 2011; Tirone & Nunes, 2008). Distinguindo-se a envolvente como o que separa o ambiente interior do exterior, esta define e controla a qualidade das condições interiores e é assim a zona de maior relevo para a colocação do isolamento (Sadineni, Madala, & Boehm, 2011). A envolvente assume assim um papel de enorme relevância na eficiência energética do edifício e quando bem projetada, consegue-se atingir níveis elevados de poupança energética, (Mateus & Macedo, 2011; Sadineni, Madala, & Boehm, 2011).
A forma de se avaliar, em Portugal, a eficácia da envolvente, entre outros aspetos, no objetivo de se conseguir baixas necessidades energéticas dos edifícios é a aplicação do Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS) (ITeCons, 2013; Ministério economia e emprego, 2013). Este sistema de avaliação tem dois pilares fundamentais para os edifícios habitacionais, que são o comportamento térmico e a eficiência dos sistemas, acrescentando aos outros dois a instalação, condução e manutenção dos sistemas técnicos para os edifícios de comércio e serviços (MEE, 2013). O modelo de avaliação referido, retorna-nos uma classe energética que vai de G até A+, onde G é a pior classificação e A+ a melhor, de notar que para edifícios novos, a classificação tem de ser no mínimo B- e no máximo A+ (Tirone & Nunes, 2008). Na figura 1 está representada a etiqueta para a classificação energética.
Esta classificação é feita, tendo em conta as necessidades nominais do edifício:
Nic – Necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento;
Ni – Necessidades nominais anuais máximas de energia útil para aquecimento; Nvc – Necessidades nominais anuais de energia útil para arrefecimento;
Nv–Necessidades nominais anuais máximas de energia útil para arrefecimento; Qa/Ap–Necessidades de energia útil para preparação de AQS supridas pelo sistema; Qa/Ap ref. – Necessidades de energia útil para preparação de AQS referência; Ntc – Necessidades nominais anuais de energia primária;
Nt – Necessidades nominais anuais máximas de energia primária;
Onde Nt e Ntc são as necessidades responsáveis pela classe energética e estes representam a soma ponderada de todas as outras necessidades. Assim, tal como é visível na Figura 1, compara-se os valores de Nt e Ntc e se o valor das necessidades nominais anuais de energia primária é inferior a 25% do valor máximo das necessidades primárias, o edifício tem classe A+. Caso Ntc esteja entre 25 a 50% de Nt, a classe é A, se o valor estiver num intervalo entre 50 a 75% será B e entre 75 e 100% classe B- (ITeCons, 2013; Tirone & Nunes, 2008). De notar, como é explícito na Figura 1, para edifícios novos Ntc tem de ser sempre inferior ou igual a Nt, obrigando assim os mesmos a nunca terem classe inferior a B-, podendo os edifícios já existentes terem necessidades energéticas primárias superiores à máxima ou de referência, onde as grandes intervenções só poderão ter um mínimo de classe C.
Na década de 40, surgem as primeiras habitações com uma preocupação nos gastos energéticos, os Low Energy Homes (LEH’s) (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer, 2011). A necessidade em se atingir a sustentabilidade energética tem vindo a aumentar, o que deu origem a edifícios cada vez mais próximos da “necessidade zero” de energia externa (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011). Aparecem então os edifícios Net Zero Energy Buildings e Positive-Energy Buildings (NZEB’s/PEB) (Kolokotsa et al, 2011). O conceito geral NZEB é um edifício com necessidades muito reduzidas ou nulas de fornecimento energético por parte da rede pública, onde quase todas ou mesmo todas as exigências energéticas vão ser satisfeitas com recurso a energias renováveis (Pless & Torcellini, 2009; Kolokotsa et al., 2011; Hamdy, Hasan & Siren, 2012; Carrilho da Graça, Augusto & Lerer, 2011). Derivando dos NZEB’s aparecem os edifícios PEB, sendo estes um “upgrade” dos NZEB, onde se
procura complementar a produção total de energia que o edifício necessita, com eficiências bastante positivas em matérias como aquecimento e arrefecimento, ou seja, edifícios com “energia positiva” ( Kolokotsa et al., 2011). Segundo o estudo feito por Carrilho da Graça, Augusto & Lerer uma implantação ideal de NZEB tem de respeitar algumas características (Carrilho da Graça et al., 2011):
Necessidades energéticas baixas (aproveitando a luz natural, ventilação natural, aquecimento e refrigeração passivos ótimos);
Ter sistemas energéticos eficientes (inclusive os aparelhos domésticos);
Estar ligado à rede pública e esta estar munida de infraestruturas de energia flexível – devem ser possíveis trocas de energia entre o edifício e a rede pública.
Várias soluções de sustentabilidade energética podem ser consideradas para a melhoria da eficiência energética e conforto interior (Kolokotsa, Rovas, Kosmatopoulos, et al., 2011):
Melhorias nas soluções construtivas dos edifícios, como isolamento, aumento da massa térmica, entre outros;
Dispositivos eficazes de sombreamento;
Aplicação de equipamentos com elevada eficiência de aquecimento e arrefecimento, por exemplo sistemas AVAC com grande ratio de eficiência energética, bombas de calor com recursos a energia geotérmica ou de coletores solares e ar condicionada solar;
Uso de energias renováveis, sejam sistemas térmicos solares, fotovoltaicos ou sistemas híbridos;
Uso de controlo “inteligente” da energia, com recurso a sensores, sistemas de monitorização, entre outros.
Para se medir o desempenho de NZEB e ou PEB, é necessário ter em conta vários indicadores, como o consumo de energia primária líquida, os custos líquidos e as emissões de carbono (Kapsalaki, Leal, Santamouris, 2012). Com o sistema complexo que os edifícios representam, são necessárias para a implementação das abordagens NZEB e ou PEB, simulações detalhadas em vários fatores, como os dados climáticos reais do local onde se situa o edifício, os sistemas de aquecimento e arrefecimento, sistemas de geração de energia, ventilação natural, comportamento dos usuários (o tipo de ocupação, os ganhos internos,
sombreamentos), entre outros (Kapsalaki, Leal, Santamouris, 2012; Kolokotsa et al., 2011) . De forma a facilitar isso, têm aparecido alguns softwares que vão de encontro às necessidades de simulação pretendidas para a aplicação de NZEB e ou PEB tais como TRNSYS, ESP-r, Energy Plus, HEED, Solterm, PVGIS e REH (Kolokotsa et al., 2011;Costa, 2012;Construção, 2012; Crawley et al., 2005; Institute for Energy and Transport, 2012). Na Tabela 1 são explicadas algumas das potencialidades dos programas anteriormente referidos.
Tabela 1 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB
Softwares de apoio ao conceito NZEB e construção sustentável
TRNSYS -TRaNsient SYstem Simulation
program. (Thermal Energy System Specialists, 2013; Costa, 2012)
Programa de simulação de sistemas transitórios, desenvolvido pela Universidade de Wisconsin, Madison nos
EUA
Energy Plus (U.S. Department of
Energy, 2013;Costa, 2012)
Ferramenta computacional onde é possível simular o comportamento energético de
edifícios, foi desenvolvido pelo departamento de energia dos Estados Unidos (U.S. Department of Energy)
ESP-r (Hand, 2012; Kolokotsa, Rovas,
Kosmatopoulos et al., 2011)
Ferramenta de modelagem integrada de energia para simulações do desempenho térmico, visual e acústico de edifícios. É um open source que possibilita o acesso a
todos, bem como o seu desenvolvimento programático.
Tabela 2 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB, continuação
Softwares de apoio ao conceito NZEB e construção sustentável
HEED - Home Energy Efficient Design.
(UCLA, 2013;Costa, 2012)
Programa informático que permite fazer simulações nas poupanças de energia, custos e emissões de carbono, de acordo com posição e geometria do edifício, gratuito e desenvolvido pelo departamento de arquitetura e design urbano da Universidade da Califórnia Los Angels (UCLA).
Solterm – Análise de desempenho
térmico, económico e ambiental de sistemas solares. (Aguiar & Encarnação
Coelho, 2012)
Software desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), onde é possível definir o tipo de painel solar ou fotovoltaico a utilizar num edifício e verificar os seus rendimentos para produção de AQS e produção de energia elétrica respetivamente. É ainda possível fazer simulações económica e ambiental, tudo isto tendo em conta o concelho onde se localiza o edifício.
Tabela 3 - Alguns programas de apoio à implementação do conceito NZEB, continuação
Uma das várias soluções para a aplicação do conceito NZEB é a produção de energia com recurso a painéis solares. Há estudo feito (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer, 2011) onde são implementados os conceitos NZEB para as condições climatéricas do Sul da Europa, com recurso a energia solar. Para um edifício familiar de 110 m2 foram desenvolvidos dois modelos, um projeto Passive House (PH) e fachadas envidraçadas (FE) (Figura 2). Foram verificados o comportamento dos ocupantes e as soluções arquitectónicas e como afetariam o sistema NZEB. Foram usados sistemas de aquecimento de águas, sistemas de produção de energia e bomba de calor (Figura 3). Consideraram-se também aparelhos domésticos usuais
Softwares de apoio ao conceito NZEB e construção sustentável
PVGIS – Photovoltaic Geographical
Information System. (Institute for Energy and Transport, 2012)
Ferramenta online freeware, que tem uma base de dados atualizada, relativa à radiação solar mensal e anual, por coordenadas, de toda a Europa, África e Sudoeste Asiático, introduzindo os dados relativos ao painel fotovoltaico em análise, é possível ver a quantidade de energia elétrica média produzida mensalmente e anualmente nos mais diferentes locais, pelo painel escolhido. É um programa informático desenvolvido pela União Europeia, mais concretamente pelo Instituto para a Energia e Transportes.
Ferramenta de cálculo de aplicação do REH – Ferramenta de cálculo de
aplicação do Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de
Habitação (Construção, 2012)
Ferramenta de cálculo em Excel, onde é possível saber quais as necessidades de aquecimento, arrefecimento, produção de AQS e primárias para os edifícios em estudo, bem como verificar o efeito alterações/melhorias a nível da envolvente, podem produzir no edifício, particularmente nas necessidades acima referidas.
de uma habitação e de boa eficiência energética. Para a análise deste exemplo, foi usado um programa de simulação, o Energy Plus ( Crawley et al., 2005).
Figura 2 - Modelos dos dois casos de estudo (adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011))
Tabela 4 - Legendagem da figura 3
Figura 3 - Esquema dos elementos usados no caso de estudo para um edifício no Sul da Europa adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011)
Legenda BR1 Quarto 1 BR2 Quarto 2 WC1 Quarto de banho 1 WC2 Quarto de banho 2 KIT Cozinha LR Sala de estar/jantar
Na análise aos consumos energéticos de cada tipo de edifício, é de notar que o FE tem um consumo muito elevado, quando comparando com o PH, onde as necessidades de arrefecimento assumem um papel fundamental. Outro aspeto muito importante para a análise de implementação de um NZEB é o facto de os aparelhos serem os grandes consumidores de energia em ambos os edifícios, tal como é visível na Tabela 3, obrigando assim a se repensar no tipo eletrodomésticos existentes e na sua respetiva utilização.
Tabela 5 - Necessidades de energia de cada tipo de edifício PH e PE adaptado de (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer 2011)
Nos resultados obtidos deste estudo, concluíram que no caso da PH, para ser possível a implementação de NZEB, necessita-se um custo inicial para equipamentos de 9 900€, o que vai corresponder a 90 €/m2, enquanto para o caso de FE são necessários 23,500€ correspondente 179 €/m2. Cerca de 11% do custo total do edifício PH seria para a implementação NZEB e no caso FE 23% do custo total é somente para aplicação deste conceito. Com tempos estimados de retorno dos custos entre 13-18 anos, para um valor da energia (€/kWh) aproximado ao de 2010 (Carrilho da Graça, Augusto & Lerer, 2011;Carrilho da Graça, Augusto & Lerer, 2008). É verificado neste projeto que a possibilidade de implantação do sistema NZEB é uma realidade no Sul da Europa, muito devido às suas condições climatéricas. Mas para isto ser possível, como verificado na comparação entre os dois edifícios confirma-se que os melhoramentos das soluções construtivas e escolhas arquitectónicas no que a conforto térmico/energético diz respeito, o tipo de utilização dado ao edifício pelos ocupantes e as escolhas dos elementos consumidores de energia são fatores fundamentais para a viabilidade dos edifícios NZEB.
2.2.
Medidas para a diminuição do consumo de água nos edifícios
Desde a revolução industrial que se verifica um aumento significativo do consumo de água, mais acentuado nas últimas quatro décadas (Ringler, 2012), acompanhado de um enorme
Edifício Aquecimento (kWh/ano) Arrefecimento (kWh/ano) Aparelhos (kWh/ano) AQS (kWh/ano) Energia Final (kWh/ano) PH 540 130 2982 1422 5074 FE 386 3817 2982 1422 8608
aumento populacional (Crossette & Kollodge, 2011; Ringler, 2012; United Nations, 2013). Com isto, verificou-se também um aumento na economia que originou maiores necessidades de água doce para setores como edifícios, indústria e agricultura (Ringler, 2012; United Nations, 2013). Com esta crescente procura no consumo de água, origina-se a sobre-exploração das captações, sejam elas superficiais ou subterrâneas, afetando negativamente os ecossistemas delas dependentes. Disto se origina o stress hídrico e as restrições em abastecimento, no mais diversos países (Santos et al, 2011).
As exigências de necessidade de água doce nas zonas urbanas, onde vive atualmente 54% da população mundial, perspetiva-se que aumentem em aproximadamente 2,5 mil milhões de m3 até 2050 (Domènech & Saurí, 2011; United Nations, 2014). Sendo estas áreas responsáveis por grandes problemas como redução na infiltração da água para recarga de aquíferos, o que leva a um aumento dos caudais de cheia, poluição das linhas de água através da descarga de águas residuais, redução da evapotranspiração e um normal aumento do consumo de água potável (Santos et al., 2011). Torna-se com isto fundamental arranjar soluções viáveis para fazer frente a estas agressões à quantidade e qualidade da água, tendo sempre em conta o aspeto económico, onde é sempre benéfico conseguir encontrar uma redução de custos. À escala europeia, a indústria tem em média um consumo de 54%, a agricultura 26% e os restantes 20% respeitantes ao consumo doméstico (EU, 2001). Aqui a construção, tem um papel preponderante, uma vez que é um dos principais “consumidores” dos recursos de água. A água consumida e desperdiçada pelos diferentes setores, tem uma diferença bastante elevada, como é possível verificar para o caso de Portugal (Figura 4) (INAG, 2001; APA, 2001).
Figura 4 - Valores de água consumida e desperdiçada nos vários setores em Portugal (INAG, 2001)
Os custos de utilização da água a nível nacional, no setor urbano, são elevadíssimos, face à percentagem de volume utilizado. Este setor é responsável por 46% dos custos de utilização nacional, para um volume de 8% do total das diferentes áreas de abastecimento de água, onde a utilização de água total correspondia a 1 880 000 000 €/ano (1,65% do PIB nacional) em 2000 (APA, 2001). Este é além das preocupações ambientais, um fator que obriga a uma procura de alternativas e soluções que possam fazer frente a este pesado valor económico. Na Figura 5 é possível verificar as percentagens de volume utilizado e custos para cada setor utilizador de água (INAG, 2001):
Figura 5 - Volumes e custos de utilização de água (em %) nos vários setores em Portugal (adaptado de (INAG, 2001))
2.2.1. Reaproveitamento de Águas Pluviais
Sistemas domésticos de recolha de águas da chuva (Domestic Rainwater Harvesting System (DRWH)) apresentam hoje em dia várias vantagens, tais como: diminuir a dependência de água nos edifícios e nas zonas urbanas, aliviar o stress hídrico nas zonas, reduzir a poluição provocada pelas águas residuais, reduzir o volume de escoamentos urbanos, prevenir cheias e aliviar as alterações climáticas (Domènech & Saurí, 2011; El-Sayed et al, 2010; Farreny, Gabarrell, & Rieradevall, 2011) derivando de isto tudo e não menos importante há também a redução dos custos do consumo de água. As águas pluviais são uma fonte renovável e limpa, ideais para o uso doméstico, maioritariamente usadas em propósitos não-potáveis, como descargas nos autoclismos, lavandaria, lavagem de automóveis ou rega de jardins (Farreny et al., 2011; Helmreich & Horn, 2009; Jones & Hunt, 2010). Com o desenvolvimento dos DRWH começa hoje a ser possível o tratamento destas para fins de utilização potável. Através
de estudos internacionais foi possível verificar redução entre 30% a 92% do volume de água fornecida pelo sistema público, quando se usam DRWH (Li, Boyle & Reynolds, 2010). Os sistemas domésticos de recolha de águas da chuva são compostos por três componentes principais: a captação, o sistema de escoamento e o tanque de armazenamento (Abdulla & Al-Shareef, 2009; Li, Boyle & Reynolds, 2010), tal como ilustrado na Figura 6. Estes três componentes deverão apresentar as seguintes características:
Captação – Têm de ser materiais impermeáveis e não podem contaminar a água. Por norma as coberturas dos edifícios são os sistemas mais usados na recolha das águas. O material usado na construção das coberturas e na área de captação têm uma enorme influência na eficiência de recolha e qualidade das águas. Preferencialmente deve-se optar por lisos e limpos, como aço galvanizado, chapas de aço ou plástico. São materiais com boa razão duração/preço e não afetam a qualidade da água. Coberturas planas, são também boas superfícies de recolha, desde que haja sempre o cuidado de as manter limpas e assim não ser afetada a qualidade da água.
Sistema de escoamento – Na constituição deste componente, usam-se geralmente calhas e tubos de queda usados normalmente nos edifícios para o escoamento das águas pluviais. A única particularidade aqui vai ser o local para onde será transportada a água. Vai haver um transporte da água desde o ponto de recolha para o local de armazenamento, o tanque. Normalmente são compostos por aço galvanizado, aço inoxidável, fibra de vidro, zinco ou plástico.
Tanque de armazenamento – A água recolhida e transportada pelos dois componentes anteriores é posteriormente armazenada num tanque, sendo que este representa o maior custo na instalação do DRHW entre 50% a 70% do custo total. Podem ser construídos no interior da casa ou no exterior (mais comum). Os materiais mais usuais na sua construção são tijolo-cimento, metal e betão armado. Os requisitos destes tanques é a total impermeabilidade, serem duráveis, acessíveis monetariamente e com o mínimo de contaminação da água. Dependendo das quantidades de água que podem ser “absorvidas” por estes sistemas num determinado país e as necessidades de uso de água do edifício, estes tanques para edifícios unifamiliares têm capacidades de armazenamento entre os 4 m3 e 16 m3.
Figura 6 - Sistema típico de recolha de águas pluviais (DRWH) (adaptado de (Li, Boyle & Reynolds, 2010))
O tratamento normal de águas pluviais recolhidas é feito em três pontos, desinfeção, filtragem e pasteurização (Li, Boyle & Reynolds, 2010):
Desinfeção – É aplicada por forma a se fazer um melhoramento da qualidade a nível microbiológico. A forma mais fácil é a aplicação do cloro, isto porque apresenta bons resultados na eliminação da maioria dos micro-organismos e é relativamente barato.
Filtragem – É um método barato que permite melhorar a qualidade bacteriológica da água. Este é mais um processo biológico do que físico. O filtro é constituído por camadas de areia, mais grossa na camada superior e fina na base. Por forma a se verificar eficaz, é necessário um fluxo constante de água, isto porque uma filtragem lenta e intermitente pode produzir água com baixos nutrientes.
Pasteurização – É conseguida com a combinação de radiação ultravioleta e calor proveniente de energia solar. É uma técnica bastante fiável e “low-cost”.
Funciona quando atingidas temperaturas de 50º C e a água está totalmente oxigenada, é uma técnica muito eficaz quando se trata do tratamento de bactérias patogénicas.
2.2.2. Tratamento e aproveitamento de águas cinzentas (AC)
Este tipo de águas são recolhidas dos mecanismos de lavagens, como chuveiros, banheiras, máquinas de lavar e pias de cozinha , excluindo-se com isto as águas negras provenientes de sanitas e urinóis (Al-Jayyousi, 2003; Li et al., 2010), como representado na Figura 7. As AC representam em norma 50% a 80% da água de esgoto produzida em edifícios de habitação unifamiliar (Al-Jayyousi, 2003). Com este sistema, tal como o de reaproveitamento de águas pluviais, podem-se conseguir grandes poupanças na água doméstica e com isto preservar a qualidade da água de abastecimento pública e reduzir assim os custos, bem como os poluentes ambientais que este tipo de águas libertam (Al-Jayyousi, 2003; Eva et al., 2002). Estas águas tem uma qualidade inferior às águas pluviais isto devido aos contaminantes existentes, como detergentes ou sabão. Mas são produzidas mais regularmente e podem ser facilmente reutilizadas em aplicações domésticas simples como por exemplo lavagem de automóveis e rega de jardins. As características das AC dependem da qualidade da água abastecida, do tipo de sistema de distribuição e da atividade dos ocupantes (Eva et al., 2002). Têm sido desenvolvidas várias tecnologias de tratamento para uso doméstico, onde se destacam (Je et al., 2000):
Sistema básico de duas fases – Tem como tecnologia mais comum a filtração por areias mais grosseiras e posterior desinfeção, apresenta geralmente uma grelha para filtrar as partículas maiores e remover assim a poluição orgânica. É necessária uma limpeza da zona de filtragem, após cada processo. A parte da desinfeção é conseguida com recurso doses líquidas de cloro ou bromo. Estes dois processos devem ser feitos num curto período de tempo para não serem alteradas as propriedades da água. Mesmo com este tratamento, este tipo de águas só vão ser possíveis de utilizar em sanitas, urinóis entre outros. Fica assim excluída a hipótese de poder ser ingerida ou utilizada em banhos.
Sistemas de processos físicos – Os processos físicos compreendem-se principalmente por filtragem profunda, onde a areia fina ou as membranas, assumem um papel
relevante. Consegue-se com este processos atingir níveis de limpeza das AC bastante razoáveis, principalmente quando se adotam as membranas como filtro. Estas formam barreiras a partículas que podem ir desde os 0.5 μm até ao nível molecular, quando se trata de processos feitos por osmose. Com este sistema, consegue-se melhores resultados que o básico de duas fases, mas tem um consumo de energia bastante elevado, quando comparado com o anterior. Tal como no primeiro sistema apresentado, a necessidade de limpeza constante mantém-se, caso contrário a superfície das membranas torna-se bastante suja e poluída, o que afeta tanto a necessidade de energia despendida, como a qualidade de purificação. Outro fator que ambos os sistemas partilham é o facto de em nenhum dos casos, ser possível retirar água potável após a passagem pelos sistemas de purificação, ficando simplesmente estas águas para usos em equipamentos como sanitas.
Figura 7 - Sistema típico de tratamento de águas cinzentas (AC) adaptado de (Li, Boyle & Reynolds, 2010)
2.3.
Sustentabilidade Alimentar (SA)
A produção de comida suficiente tendo em conta o crescimento da população e o contexto atual das alterações climáticas e recursos naturais é um dos grandes desafios das sociedades futuras (Freibauer et al., 2011). Com a evolução das sociedades e consequente crescimento dos centros urbanos, muitos meios rurais, têm sofrido uma desertificação (United Nations, 2014), o que afeta diretamente o crescimento da agricultura. Isto por sua vez contribuirá para uma possível escassez da comida nos centros urbanos ou, como tem sido prática desde longos anos, comida com qualidade reduzida, muito por culpa da utilização de fertilizantes e produtos prejudiciais à saúde humana (Fernandes Pinto, 2007). Na Figura 8, está representada de forma esquemática a realidade atual da escassez de produção agrícola nos dias de hoje .
Figura 8 - Representação esquemática das interações de escassez na produtividade agrícola. A grossura das setas demonstra a intensidade das interações. Setas nos dois sentidos indicam
feedback não linear. Adaptado de (Freibauer, Mathijs, Brunori et al., 2011)
Numa perspetiva da sustentabilidade, a eficiência alimentar, tem como pontos fundamentais, um aproximar da natureza ao tecido urbano, o criar condições de redução de CO2 (através da fotossíntese) e o fornecimento de alimento a todos. Quando focalizado na construção sustentável, a adaptação da SA, abrange vastas áreas, como a gestão económica, a reciclagem, o bem-estar dos utilizadores ou a purificação do ar respirado através da redução de emissões
de gases (Tabela 6) (Calvet-Mir, Gómez-Baggethun & Reyes-García, 2012; Freibauer et al., 2011;Fernandes Pinto 2007).
Tabela 6 - Benefícios em diferentes áreas da SA num edifício (Calvet-Mir, Gómez-Baggethun
& Reyes-García, 2012; Freibauer et al., 2011;Fernandes Pinto 2007).
Áreas de afetação da SA Como beneficia
Gestão económica
Com uma produção doméstica de bens alimentares, as necessidades de comprar comida diminuirão, o que afeta diretamente o orçamento familiar, sendo assim mais económico.
Reciclagem
Os resíduos orgânicos são bons fertilizantes, logo é feita uma reutilização dos mesmos no espaço dedicado ao cultivo, contribuindo com isto para menos resíduos a afetar o ambiente e a ir de encontro com as boas práticas da sustentabilidade.
Bem-estar dos utilizadores
É hoje reconhecido que um ambiente verde em volta do meio urbano contribui para uma sensação de prazer, relaxamento e conforto, assim, na convivência diária com a natureza, os utentes do edifício beneficiam de todos estes fatores o que se fará sentir em aspetos como produtividade e saúde.
Purificação do ar respirado/redução de emissões de gases
Simplesmente o facto de se ter um “produtor” de oxigénio, faz com que o ar envolvente tenho uma menor quantidade de CO2 (redução das emissões de gases), sendo isto um ponto muito benéfico no que a saúde diz respeito, outro aspeto importante é as renovações de ar, que não vão ser tão necessárias, como no caso de um ambiente sem plantas verdes.
2.4.
Edifício sustentável num todo (envolvente, energia e água)
Com a evolução das sociedades, das suas necessidades e a cada vez maior consciencialização com a diminuição dos recursos naturais outrora pensados “infinitos”, começaram a ser questionadas novas formas de evolução na construção e na sua sustentabilidade tanto no momento da construção, como na sua vida útil (Iwaro & Mwasha, 2013). Depois do aparecimento de muitos conceitos e projetos na área da sustentabilidade da construção, como os referidos nos pontos anteriores deste documento, surge uma nova etapa, que se prende como englobar todos os outros projetos e conceitos num só. Com isto pretende-se fazer uma avaliação total e completa de todas as variáveis que os edifícios apresentam, e posterior melhoramento e ou correção de todos esses aspetos, para se conseguir atingir o objetivo de sustentabilidade Ambiental, Económica e Social.
Hoje é já uma realidade os edifícios que procuram tirar o melhor proveito das soluções construtivas da envolvente e a partir daí potenciar ao máximo as restantes soluções disponíveis, como equipamentos de aquecimento e arrefecimento, equipamentos de produção de energia, entre outros. Embora já exista este tipo de solução, está muito longe de ser a ideal e principalmente de ser aplicável na generalidade do edificado, tanto a nível nacional como internacional. Isto verifica-se muito pelo facto de os custos para estas soluções ser bastante elevado e ainda haver uma limitada escolha de soluções de qualidade (Coimbra & Almeida, 2013). É necessário então, procurar soluções, que além de aplicarem estes conceitos antes referidos, sejam também viáveis a aplicar na generalidade das construções. Possibilitar construir um edifício capaz de ter baixos impactes ambientais, produzir energia e garantir ao mesmo tempo conforto aos utilizadores, também a nível económico e sem obrigar a esforços financeiros elevados, quer no investimento e principalmente durante a vida útil do edifício.
As prioridades deste tipo de edifícios prendem-se com o aumento do conforto, do bem estar e da qualidade de vida para os utilizadores, através melhor confortos, térmico, visual, acústico e qualidade do ar interior (Trachte & Salvesen, 2014). É da maior importância também reduzir o consumo dos recursos energéticos fósseis, através de melhores desempenhos das envolventes, otimização dos equipamentos e aumentando a produção de energias renováveis (Trachte & Salvesen, 2014). Para se conseguir atingir estes objetivos, é necessário desde a fase inicial ter em conta todas as considerações anteriores, isto é, todas as áreas da construção têm de ser analisadas em conjunto e desde o início e desenvolvidas com o objetivo de tornar e formar o edifício sustentável (Iwaro & Mwasha, 2013).
Recorrendo a tudo o que foi abordado, tanto nos subcapítulos anteriores, como neste, cria-se um novo tipo de edifícios, não só acessível a quem tem capacidade financeira mais elevada, mas também de olhos postos na parte da sociedade que apresenta a maioria da população nacional, a classe média. Um edifício capaz de proporcionar conforto térmico, social e ambiental, ter um investimento inicial não muito elevado e capaz de baixar os gastos económicos anuais que hoje em dia estão presentes na generalidade dos edifícios.
3. Metodologia
Neste capítulo, pretende-se demonstrar como foi realizado o projeto de dissertação, dando a conhecer todas as considerações importantes, quais as ferramentas utilizadas e o modo como foram utilizadas, as fórmulas essenciais para a resolução do projeto, os critérios adotados e os métodos utilizados. Uma vez que o estudo foi realizado em três fases, neste capítulo será também explicado em três fases toda a metodologia adotada para cada uma delas. Sendo a primeira a da caracterização do edifício e estudo da envolvente, onde se explica todo o processo que levou à realização dos cálculos e definições das cinco diferentes soluções da envolvente estudadas. A segunda fase é representativa da escolha dos equipamentos e dos cálculos específicos de cada equipamento, bem como a sua análise económica. Já a terceira e última fase, é a análise da viabilidade económica dos diferentes cenários, onde se verifica todos os custos anuais para todas as variáveis consideradas do edifício, conseguindo com isso o valor anual despendido no edifício e suas soluções.
Para se fazer o estudo do edifício e das várias soluções possíveis, foi necessário fazer uma parametrização por cenários, por forma a simplificar as escolhas do tipo de envolvente e dos materiais para o edifício. Assim, definiu-se cinco cenários possíveis, sendo o primeiro o base e o como tal o termo de comparação com todos os outros. Com exceção do primeiro, todos os quatro restantes foram alterados e houve um melhoramento contínuo de cenário para cenário, tanto nas escolhas de envolvente, como de materiais. A Tabela 7 apresenta os vários cenários e os equipamentos definidos em cada situação.
Tabela 7 - Os diferentes cenários adotados e os respetivos equipamentos
Como é visível na tabela, cada cenário representa uma solução diferente da envolvente, além disso, tendo em conta a envolvente, foi definido também os equipamentos que serão utilizados em cada caso. Foi feito um melhoramento constante e progressivo nos vários cenários, isto é, desde o primeiro ao último, há um melhoramento da envolvente e um aumento e melhoramento dos equipamentos utilizados e do tipo de áreas (aquecimento, águas, eletricidade, etc.) em que eles poderão atuar.
3.1.
Caracterização do edifício e estudo da envolvente
Nesta primeira fase pretende-se, por intermédio da folha de cálculo DL 118/2013, versão 3.05 de 28 de Fevereiro de 2014, da nova regulamentação térmica Portuguesa (REH), retirar os
Diferentes Cenários
Soluções Adotadas
Envolvente Aquecimento AQS Arrefecimento Produção de
energia Reaproveitamento de Águas Cenário I Solução Inicial Elétrico Painéis Solares Elétrico Cenário II Aumento 25% espessura do isolamento
Biomassa Biomassa Elétrico
Cenário III Aumento 50% espessura do isolamento Recuperador de Calor a Lenha Recuperador de Calor a Lenha Elétrico Cenário IV Solução otimizada Bomba de Calor Bomba de Calor Bomba de Calor Painéis Fotovoltaicos Cenário V Solução otimizada com fachada ventilada Bomba de Calor Painéis Solares e Bomba de Calor Bomba de Calor Painéis Fotovoltaicos Depósito de Aproveitamento de Águas da Chuva
