Energia nos edifícios

Energia nos edifícios

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Consumo global de energia nos edifícios

Em 2010, os edifícios representaram 35% do uso global final de energia e 19% de todas as emissões de gases de estufa.

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Consumo global de energia nos edifícios

Uma grande diferença no uso de energia per capita final em edifícios: em países frios pode ser 5–10 vezes maior do que nas regiões quentes, como a África ou América Latina.

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• Os edifícios consomem cerca de 40% das necessidades energéticas finais totais na Europa. No contexto de todos os setores de utilização final, os edifícios representam o maior

setor, seguido pelos transportes com 33%.

• O parque imobiliário (residencial e não residencial) é o principal consumidor de energia na Europa.

Consumo energético final por setor na UE

Contexto Europeu

Comparação da emissão mundial de CO₂ no setor residencial

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Contexto Português

Consumo de energia final por setor em Portugal

Evolução do consumo de energia total per capita e por setor de 1989 - 2000

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Evolução do consumo de energia no setor doméstico (tep) por tipo de fonte

7

Distribuição do tipo de fonte no número de alojamentos.

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Edifícios Residenciais

• A despesa total por agregado familiar foi, em média, 1 843EUR,

incluindo os gastos com veículos. A eletricidade surge como a

principal fonte de energia consumida nos lares, representando

42,6% do consumo total de energia (excluindo os combustíveis

utilizados nos veículos).

• A lenha surgiu como a segunda maior fonte de energia

consumida nos lares portugueses, com 24,2% no consumo total

de energia no setor doméstico.

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Mix Energético em edifícios residenciais Sul Norte e Oeste Centro e Este Portugal Biomassa 27% 21% 20% 37% Eletricidade 18% 13% 1% 37% Aquecimento urbano 29% Carvão 1% 41% Petróleo 32% 20% 3% 17% Gás 23% 39% 7% 9% LPG, DH, RES 6%

Contexto Europeu

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Contexto Europeu

Diferentes cenários para metas de redução de CO2. • Regulação e prática efetiva

podem forçar a redução das emissões de CO₂, cumprindo a meta e travando a escassez de energia.

• Profunda reforma que inclui nZEB para reduzir o consumo de energia e a emissão de CO₂.

Porquê melhorar: Situação UE

4 principais estratégias de redução de consumo

energético nos edifícios (Harvey, 2010)

1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento

através de uma envolvente de alto desempenho

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• Todo o elemento do edifício que separe os espaços climatizados do ambiente exterior, de espaços não climatizados ou de outras construções adjacentes.

Envolvente do Edifício

Definição

Espaço climatizado Desvão

13  Elementos verticais • Paredes • Pilares e vigas  Elementos horizontais • Coberturas

• Pavimentos em contacto com o solo ou em contacto com o exterior  Portas e envidraçados

 Sistemas de sombreamento

Elementos da envolvente

4 principais estratégias de redução de consumo

energético nos edifícios (Harvey, 2010)

1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento

através de uma envolvente de alto desempenho

4 principais estratégias de redução de consumo

energético nos edifícios (Harvey, 2010)

1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento

através de envolvente de desempenho elevado

2. Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de

aquecimento solar, ventilação e arrefecimento.

Técnicas passivas de aquecimento solar,

ventilação e arrefecimento

4 principais estratégias de redução de consumo

energético nos edifícios (Harvey, 2010)

1. Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento

através de envolvente de desempenho elevado

2. Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de

aquecimento solar, ventilação e arrefecimento.

3. Utilizar os equipamentos mecânicos mais eficientes

para atingir as restantes cargas necessárias ao

4 principais estratégias de redução de consumo

energético nos edifícios (Harvey, 2010)

1.

Reduzir cargas de aquecimento e de arrefecimento através de

envolvente de desempenho elevado

2.

Reduzir as cargas utilizando técnicas passivas de aquecimento solar,

ventilação e arrefecimento.

3.

Utilizar os equipamentos mecânicos mais eficientes para atingir as

restantes cargas necessárias ao conforto

4.

Assegurar que os equipamentos que utilizam

energia na habitação são o mais eficientes

possível e de dimensão apropriada

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O Edifício troca energia térmica para o ambiente exterior: • Pela cobertura

• Pelas paredes

• Pelos envidraçados e pelas portas • Por infiltração através de frinchas. • Para o solo

Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

Para o solo Pelas paredes Pelos envidraçados Devido às infiltrações Pela cobertura

Balanço térmico de um edifício

Componentes do balanço térmico: • Radiação solar

• Trocas de ar (ventilação e infiltração)

• Envolvente (condução combinada com convecção e radiação térmica nas superfícies)

Princípios físicos a ter em conta na térmica dos

edifícios

- Processos de transferência de calor entre o interior

e o exterior do edifício

- Processos de distribuição do calor, frio e ar fresco

dentro de um edifício

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A transferência de calor pela envolvente de um edifício dá-se por: - Condução molecular

- Convecção

- Trocas radiativas

- Passagem de ar através de fugas na envolvente

Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

𝑄

=

𝑖=1 𝑛

𝑈

. 𝐴

. 𝑇

− 𝑇

U_i - Coeficiente de transferência de calor do elemento i (W/m2_.ºC);

A_i - Área do elemento i (m2_);

T_int - Temperatura interior (ºC); T_ext - Temperatura exterior (ºC);

Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

O coeficiente de transferência de calor também é resultado de:

𝑈 = 𝜆 𝑙

λ – condutividade térmica do material (W/m.ºC) l – espessura da camada do material (m)

A resistência térmica é o inverso do coeficiente de transferência de calor:

𝑅 = 1

𝑈 =

𝑙 𝜆

A condutividade térmica de um betão ser 1,75 W/m.o_C

significa que se uma parede de betão tiver 1m de espessura, a sua face externa estiver a 20o_{C e a face}

interna estiver a 21o_{C, o fluxo de calor que a atravessaria}

em cada m seria igual a 1,75W (ou 1,75 Js-1₎

Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

O calor perdido por uma camada de material será tanto menor quanto mais espessa esta for e quanto mais baixa for a sua condutividade térmica

Espaço condicionado, T_i Ambiente exterior, T_e Te T_i T_si T_se Lâmina de ar/ fronteira

térmica, 1/hsi(Rsi)

Lâmina de ar/ fronteira térmica, 1/h_se(R_se) Elemento

Construtivo, λ

l

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Perdas térmicas pelas paredes

• Mecanismo típico de convecção – condução

• Temperatura interior superior à temperatura exterior T_i>T_si>T_se>T_e

𝑄 = 𝑈(𝑇_𝑖 − 𝑇_𝑒) 𝑈 = 1 1 ℎ_𝑠𝑖 + 𝑙 𝜆 + 1 ℎ_𝑠𝑒

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Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

Parede multicamada para uma condução de calor em estado estacionário numa dimensão

=

+

+

+

+

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Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

Nestas superfícies há troca de calor através de: – Convecção com o ar ambiente;

– Radiação de largo intervalo de comprimento de onda com as superfícies vizinhas.

Mas, na prática o que sabemos a partir dos dados climáticos é a temperatura do ar adjacente às superfícies (ex. temperatura no exterior e a temperatura da divisão)

31

Trocas térmicas através da Envolvente do Edifício

Ou seja, é comum:

– Assumir que a temperatura das superfícies adjacentes igualam a temperatura do ar; – Usar um “coeficiente de troca superficial” que contabiliza simultaneamente a

convecção e a radiação térmica.

=

+

+

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Ganhos térmicos pelas paredes T_se>T_si

Calor é transferido para o interior do edifício por radiação solar, conduzindo ao aumento significativo da temperatura superficial da parede exterior, superior à temperatura interior do edifício.

𝑄_{𝑔𝑎𝑛ℎ𝑜𝑠} = 𝜆

𝑙 (𝑇𝑠𝑒 − 𝑇𝑠𝑖)

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Exemplo de trocas térmicas pelas paredes

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 27/01/2012 00:00 27/01/2012 12:00 28/01/2012 00:00 28/01/2012 12:00 29/01/2012 00:00 Tem p e ratu ra oC Tempo

Distribuição da temperatura através de uma seção de parede orientada a Oeste no inverno durante a tarde

Internal Room Temperature

Internal West Wall Surface

Temperature External West Wall Surface

Temperature Ambient Temperature

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• Perdas térmicas baseiam-se no mecanismo típico de convecção-condução-convecção (como na parede apresentada anteriormente).

• Ganhos térmicos devido à radiação solar.

• Perdas térmicas intensificadas devido à radiação em noites de céu limpo.

Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura

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Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 29/12/2011 12:00 29/12/2011 18:00 30/12/2011 00:00 30/12/2011 06:00 30/12/2011 12:00 30/12/2011 18:00 Tem p e ratu ra (o C) Tempo

Distribuição da temperatura em seção da cobertura no inverno

Internal Roof Temperature External Air Temperature Intrnal Roof Surface Temperature External Roof Surface Temperature

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Ganhos e Perdas térmicas pela cobertura

• Em noites de céu limpo, a temperatura da superfície exterior da cobertura desce abaixo da temperatura do ambiente exterior.

• As diferenças de temperatura observadas podem chegar aos 7-8ºC.

• Isto resulta em perdas térmicas intensificadas através da cobertura. T_i>T_si>T_se, T_se<T_e

𝑄 ≠ 𝑈(𝑇𝑖 − 𝑇𝑜) Trocas por radiação, não por condução-convecção!

Envolvente de elevado desempenho

• A eficiência da envolvente em termos térmicos depende dos níveis de

isolamento das paredes, cobertura e pavimento em contacto com o solo

Espuma expandida

As habitações mais isoladas têm um coeficiente de transferência de calor de U=0.1-0.2 W/m2_/o_C

Celulose projetada

Painéis de isolamento a vácuo

Cortiça 0.06-0.07 W/m/o_C

𝑈 =

𝜆

𝑙

Medidas passivas

- Isolamento Térmico (interior ou exterior)

- Janelas isolantes (ex. Vidro duplo e caixilharia metálica com

corte térmico)

- Sombreamento

- Ventilação natural

Medidas ativas

- Solar Térmico

- Solar Fotovoltaico

- Iluminação eficiente (ex. LED)

- Sistemas de Climatização mais eficientes

39  Inorgânicos • Espumas • Espuma de vidro • Fibras • Lã de vidro • Lã de rocha  Orgânicos • Espumas

• Poliestireno expandido - EPS • Poliestireno extrudido - XPS • Espuma de poliuretano • Espumas expandidas • cortiça • Espuma de melanina • Espuma de fenol XPS EPS Cortiça Lã de vidro Espuma de vidro

Materiais de Isolamento Térmico

40  Orgânicos (cont.) • Fibras • Lã (ovelha) • Lã (algodão) • Fibras de coco • Celulose • Cortiça  Combinados • Silicato de cálcio • Espuma de gesso • Lã (madeira) • Compósitos de cimento • Com fibra de vidro

Espuma de gesso Celulose Painéis de espuma cimentícia Compósitos reforçados com fibra de vidro

Materiais de Isolamento Térmico

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 Materiais mais recentes

• Painéis de isolamento a vácuo (VIP) • Painéis preenchidos com gás (GFP) • Aerogéis

• Materiais refletivos e barreiras de radiação • Materiais de mudança de fase (PCM)

 Materiais e tecnologias futuras

• Materiais de isolamento a vácuo (VIM) • Materiais de isolamento gasoso (GIM) • Materiais de nano-isolamento (NIM) • Materiais de isolamento dinâmico (DIM)

42 Material Condutibilidade térmica - (W/.mo_C) Resistência ao calor Resistência ao fogo Permeabilidade à água Envelhecimento Resistência a parasitas

Lã mineral 0,03-0,04 Excelente Excelente Elevado Excelente Excelente

EPS 0,03-0,04 Bom Fraco Elevado Excelente Vulnerável a ratos XPS 0,03-0,04 Bom Fraco Medio Excelente Vulnerável a

ratos Cortiça 0,04-0,05 Bom Fraco Elevado Excelente Vulnerável a

ratos PUR 0,02-0,03 Medio Fraco Pouco Excelente Excelente

Celulose 0,04-0,05 Medio Fraco Elevado Bom

Vulnerável a ratos e Materiais de isolamento tradicionais em edifícios

Resumo das propriedades gerais

• A eficiência da envolvente em termos térmicos depende dos níveis de

isolamento das janelas

– Oferecem uma resistência substancialmente menor à perda de calor do que paredes isoladas

– Janelas da vidro simples têm um valor U típico de 5W/m2.o_C

– Janelas de vidro duplo têm um valor U típico de 2.5W/m2.o_{C que pode ser}

reduzido para 2.4W/m2.o_{C ou 2.3W/m2.}o_{C com Argon e Krypton}

– Janelas duplas e triplas com vácuo podem reduzir o U a 1.2 e 0.2W/m2_.o_C

Q

   

U

T

Area

Envolvente de elevado desempenho

𝑈 =

𝜆

𝑙

• A eficiência da envolvente depende dos ganhos/perdas de energia por

radiação

– Janelas permitem a entrada de energia solar mas evitam

radiação infravermelha

– O fator solar ou coeficiente de ganho de calor solar é a fração da radiação solar incidente que se transfere para o lado interno, tanto direta como indiretamente

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Revestimento de baixa emissividade (low-e): • Usada em vidros duplos ou triplos

• Aplicado na superfície exterior da camada interior

• Limita perdas térmicas do interior para o exterior (atua como uma barreira de calor – efeitos indesejáveis no verão).

Revestimentos de baixa emissividade reduzem a absorção de radiação de onda larga, i.e., conseguem reduzir a perda de calor da radiação infravermelha no inverno

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Revestimento solar protetivo:

• Usado em vidros duplos ou triplos • Aplicado na superfície exterior do

elementos exteriores

• Limita ganhos internos da radiação solar direta (útil no verão para evitar

sobreaquecimento, efeito indesejável no inverno)

• Reduz a iluminação do espaço

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Requisitos para envidraçados e sistemas de sombreamento: • Limitar perdas térmicas para o exterior

o Perdas típicas (tal como nas paredes). o Perdas por infiltração.

• Controlo da radiação solar direta que entra no edifício

o Radiação solar direta proporciona ganhos de calor para os espaços interiores durante o inverno.

o Exposição solar direta aumenta as necessidades energéticas de arrefecimento durante o verão

• Contacto visual com o ambiente exterior

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Requisitos para envidraçados e sistemas de sombreamento (cont.): • Controlo de brilho

 Dependendo do espaço de trabalho, podem existir restrições às intensidades luminosas desejadas no edifício (p. e. espaços de escritórios com computadores). • Iluminação de espaços interiores

 Luz artificial aumenta ganhos e custos de operação

 Iluminação natural é benéfica para a saúde dos ocupantes.

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Categorias de sistemas de sombreamento baseadas na instalação

Tipologias de sistemas de sombreamento

Sistemas instalados pelo exterior

Persianas

Estores venezianos Toldos

Telas

Sistemas integrados nos envidraçados Persianas

Sistemas instalados pelo interior

Persianas

Persianas verticais Persianas blindadas

Janelas e Sistemas de Sombreamento

• A eficiência da envolvente depende das fugas de ar

• A eficiência da envolvente depende das fugas de ar

– Careful application of a continuous air barrier can reduce rates of air leakage by a factor of 5 to 10 compared to standard practice (enforcement of careful

workmanship during construction) – Buildings with very low air

leakage require mechanical

ventilation (95% of the available heat in the warm exhaust air can be transfered to the

incoming cold air) to keep indoor air quality

Forma, orientação e envidraçado (%)

• Forma do edifício

– Tem impactes significativos nas cargas de aquecimento e arrefecimento e iluminação natural devido à relação entra a área superficial e o volume

• Orientação

– Para edifícios retangulares a orientação ótima é com a fachada principal orientada a sul

• Fração de envidraçado

– Frações de envidraçado elevadas aumentam as necessidades energéticas para aquecimento e arrefecimento

– O benefício de luz natural adicional é baixo quando a fração de envidraçado aumenta além dos 30%-50% do total da fachada

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 30% Base 60% Base 60% Upgraded 100% Base 100% Upgraded En e rg y I n te n s ity (k W h /m 2/y r)