COMPARAÇÃO DO ÍNDICE DE DESCONFORTO
PASSIVO COM A CLASSE ENERGÉTICA
DE EDIFÍCIOS DE HABITAÇÃO REABILITADOS
DO SUL DA EUROPA
Sílvia Alexandra de Magalhães Barbosa
Tese de Doutoramento submetida à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Orientador: Professor Doutor Vasco Peixoto de Freitas Coorientador: Professor Doutor José Luís Alexandre
PROGRAMA DOUTORAL EM ENGENHARIA CIVIL
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Editado por:
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As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.
À Maria Francisca, à Maria Clara ao João e ao Ricardo, à minha Mãe.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Vasco Peixoto de Freitas, o maior agradecimento, em primeiro lugar pelo seu voto de confiança. Agradeço também a sua preciosa e inestimável orientação, a sua assertividade e rigor científico, a sua disponibilidade e o constante estímulo que representou para este trabalho. Ao Professor José Luís Alexandre, agradeço o seu enorme contributo científico, o apoio e a disponibilidade em explicar-me conceitos que saem fora do meu âmbito académico e percurso profissional, além da permanente boa disposição.
Aos meus colegas do LFC e às colegas da sala em particular pela amizade, partilhas e troca de ideias. À Cláudia, amiga de sempre, pela sua permanente disponibilidade em ajudar e esclarecer qualquer dúvida. Às restantes colegas da sala pelos intervalos proveitosos e pelo apoio permanente. Às meninas do DEC e à Ana pela amizade nos almoços partilhados em boa disposição.
Agradeço aos proprietários das habitações monitorizadas que gentilmente acederam em colaborar no estudo. À minha amiga Adriana da Floret Arquitetura e à empresa 3M2P pela colaboração e esclarecimento de todas as dúvidas sobre o projeto e obra do edifício em estudo.
Agradeço à Fundação para a Ciência e Tecnologia - FCT que financia este trabalho, através da Bolsa de Doutoramento com a referência SFRH/BD/96068/2013.
Por último, quero agradecer aos meus amigos pela força e à minha querida família, por estarem sempre ao meu lado. Ao Ricardo, por acreditar sempre em mim, pelo apoio e força permanentes, pelo amor e pela paciência. Aos meus sogros, em particular a minha querida sogra pela força que me dá sempre. Às minhas manas. E aos pequenos da minha vida, por serem a minha maior alegria de viver: João, Maria Clara, Maria Francisca, Tiaguinho’s, Pedro, Tomas’es e Ritinha.
Dedico este trabalho à minha Mãe, meu maior exemplo de ser humano: de força, resiliência, generosidade, de amor incondicional. Eu tive a oportunidade que ela não teve, mas ela tem a garra e a força que eu nunca terei. Conseguir tendo a oportunidade é mais fácil e quase obrigatório. Dedico a ela e a todos e a todas que têm o mérito, mas não tiveram a oportunidade, porque a vida não lhes concedeu, mas nem por isso deixam de lutar todos os dias pela felicidade.
"Começa por fazer o que é necessário, depois o que é possível e, de repente, estarás a fazer o impossível" São Francisco de Assis
RESUMO
A Diretiva Europeia sobre o Desempenho Energético dos Edifícios, 2010/31/EU, tem como principal objetivo traçar as diretrizes para a implementação de sistemas de certificação nacionais, de modo a tornar os edifícios europeus mais eficientes do ponto de vista energético. O certificado emitido no âmbito do sistema de certificação energética atribui uma classe que indica o consumo nominal de energia para condições de conforto, metodologia imprescindível em países onde há uma prática de aquecimento contínuo.
Em Portugal, como noutros países do sul da Europa, pela sua especificidade climática, económica (baixos rendimentos e preço de energia alto) e cultural (hábitos e comportamentos), não se verifica a prática de aquecimento contínuo. Considera-se, assim, crucial caracterizar os edifícios do sul da Europa através de uma abordagem complementar, nomeadamente pela quantificação do seu índice de desconforto térmico passivo. A presente Tese de Investigação propõe uma metodologia para quantificação de um índice de desconforto térmico passivo, para edifícios de habitação em climas moderados, com base no cálculo dinâmico da temperatura no interior do edifício, em condições realistas de utilização, isto é, sem qualquer climatização (aquecimento ou arrefecimento) ou com aquecimento intermitente no inverno. Esta abordagem é da maior relevância em particular na reabilitação de edifícios de habitação, em que as soluções de alto desempenho energético, nomeadamente pela implementação de grandes espessuras de isolamento se revelam, muitas vezes, altamente intrusivas e devem ser cuidadosamente ponderadas.
Foi avaliado o conforto passivo de um edifício portuense antigo, típico do séc. XIX através da ferramenta de simulação numérica WUFIPlus, cujo modelo foi validado experimentalmente. Os resultados evidenciam que os parâmetros avaliados, consumo de energia e desconforto, apresentam uma relação não linear com os perfis de aquecimento intermitente. Além disso, a espessura de isolamento neste tipo de edifícios, isolando pelo interior, exerce uma influência mínima nos parâmetros energia-conforto, para perfis de aquecimento intermitente. Finalmente, os edifícios com melhor certificado energético não são, necessariamente, os que apresentam as melhores condições de conforto para os ocupantes, reforçando a importância de uma abordagem complementar à energia para este tipo de climas e forma de utilização.
PALAVRAS-CHAVE:Índice desconforto passivo; Aquecimento intermitente; Eficiência energética; Reabilitação;
ABSTRACT
The European Directive on Energy Performance of Buildings, 2010/31/EU, provided the framework on which all member states should improve their buildings ‘energy efficiency’. The Energy Certificate is a label which quantifies the nominal energy consumption to achieve defined comfort conditions, comprising a methodology that is fundamental for countries where there is a permanent heating demand.
Nevertheless, in Southern European countries, including Portugal, due to a specific climate, economy (low incomes and expensive energy costs) and culture (behavior and habits), there isn’t a permanent heating practice. Thereby, it is essential to characterize Southern European Buildings in a complementary way. This thesis proposes a methodology to quantify a Passive Discomfort Index, by calculating the temperatures outside the comfort range, within the building, in realistic use conditions, which means free-floating temperature or intermittent heating in winter (and without mechanical cooling all year). This approach is especially important for retrofitting interventions on existent dwellings, where energy improvement traditional measures, mainly insulation measures are, often, highly intrusive.
The comfort assessment for the Portuguese climate and a XIX (old) building was performed with an advanced numerical simulation tool, WUFI Plus, previously validated by experimental monitoring. Results suggest a nonlinear relation between heating scenarios and energy consumption/discomfort hours. Besides, interior insulation thickness, for this type of building, has a very low impact in discomfort hours and energy consumption, for intermittent heating scenarios. Finally, buildings with better energy labels may not be the best regarding thermal conditions, reinforcing the need for a complementary approach considering this type of climates and behaviors.
KEYWORDS:Passive Discomfort Index; Intermittent heating; Energy Efficiency; Retrofitting; Dwellings; Southern
ÍNDICE GERAL
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 ENQUADRAMENTO... 3
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO ... 6
1.3 ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO ... 7
CAPÍTULO 2 ESTADO DE ARTE: CLIMA, ENERGIA E CONFORTO TÉRMICO DE EDIFÍCIOS DE HABITAÇÃO ... 9
2.1 CLIMA PORTUGUÊS NO CONTEXTO EUROPEU ... 11
2.2 ENERGIA, CONSUMOS DOMÉSTICOS E POBREZA ENERGÉTICA ... 14
2.2.1 Enquadramento ... 14
2.2.2 Consumo de energia para climatização em Portugal e na Europa... 16
2.2.3 Pobreza energética: Portugal no contexto Europeu ... 19
2.2.3.1 Conceito de Pobreza Energética ... 19
2.2.3.2 Rendimentos e preço da energia em Portugal ... 19
2.2.3.3 Pobreza energética em Portugal ... 21
2.2.4 Síntese do capítulo ... 24
2.3 SISTEMAS DE CERTIFICAÇÃO ENERGÉTICA ... 25
2.3.1 Génese e implementação dos Sistemas de Certificação Energética na Europa ... 25
2.3.2 Sistema de Certificação Energética de Edifícios de Habitação em Portugal ... 26
2.3.2.1 Evolução da Legislação térmica em Portugal ... 26
2.3.2.2 Ponto de situação do SCE em Portugal... 29
2.3.2.3 Perceção do SCE e grau de implementação das medidas de melhoria ... 31
2.3.3 Metodologia, Exigências e Pressupostos de cálculo ... 32
2.3.3.1 Metodologia ... 32
2.3.3.2 Pressupostos ... 34
2.3.4 Síntese do capítulo ... 35
2.4 REABILITAÇÃO ENERGÉTICA E CONFORTO TÉRMICO DE EDIFÍCIOS DE HABITAÇÃO ... 36
2.4.1 Enquadramento do mercado de reabilitação nacional ... 36
2.4.2 Caracterização dos edifícios antigos: a casa burguesa do Porto e norte de Portugal ... 37
2.4.3 Reabilitação energética e conforto térmico de edifícios antigos ... 40
2.4.4 Modelos de avaliação do conforto térmico adaptativo ... 41
2.4.4.1 Enquadramento ... 41
2.4.4.3 Índices de desconforto térmico ... 47
2.4.5 Desempenho higrotérmico passivo ... 49
2.4.5.1 Medidas de reabilitação energética e conforto térmico passivo ... 49
2.4.5.2 Perceção do conforto passivo ... 57
2.4.6 Sistemas de aquecimento e arrefecimento ... 58
2.4.7 Qualidade do ar interior em habitações - Concentração de CO2 ... 60
2.4.8 Incentivos à reabilitação energética em Portugal ... 60
2.4.9 Síntese do capítulo... 62
2.5 ESTUDOS E PROJETOS RELACIONADOS COM O TEMA ... 63
2.5.1 Em Portugal ... 63
2.5.2 Na Europa ... 65
2.5.3 Síntese do capítulo... 70
CAPÍTULO 3 METODOLOGIA ... 71
3.1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS ... 73
3.2 CAMPANHA EXPERIMENTAL E VALIDAÇÃO DE UM MODELO NUMÉRICO DE SIMULAÇÃO HIGROTERMICA ... 75
3.2.1 Enquadramento e importância dos modelos de simulação numérica ... 75
3.2.2 Seleção do programa de simulação higrotérmica - WUFI® Plus ... 76
3.2.3 Campanha experimental ... 78
3.2.3.1 Caracterização do edifício em estudo... 79
3.2.3.2 Seleção e verificação dos sensores usados na monitorização ... 82
3.2.3.3 Localização dos sensores ... 83
3.2.3.4 Clima exterior... 84
3.2.3.5 Resultados experimentais do clima interior ... 85
3.2.4 Definição de parâmetros a introduzir no modelo numérico ... 86
3.2.4.1 Geometria e orientação ... 86
3.2.4.2 Caracterização dos elementos construtivos e propriedades dos materiais ... 86
3.2.4.3 Clima exterior... 88
3.2.4.4 Ocupação, ventilação e condições fronteira ... 89
3.2.5 Resultados da Validação – Temperatura interior ... 90
3.2.6 Resultados da Validação – Humidade relativa interior ... 91
3.2.7 Discussão dos resultados ... 92
3.2.8 Comparação com apartamentos de outros pisos ... 95
3.2.9 Avaliação das condições de conforto com base no modelo adaptativo da EN 15251 ... 95
3.2.10 Monitorização de consumos energéticos ... 96
3.3 PARÂMETROS FIXOS DO MODELO NUMÉRICO PARA ESTUDOS DE SENSIBILIDADE ... 100
3.3.1 Introdução ... 100
3.3.2 Caracterização do apartamento tipo e parâmetros fixos do modelo numérico ... 100
3.3.3 Clima exterior do Porto – Test Reference Year ... 101
3.4 PROPOSTA DE ÍNDICES DE DESCONFORTO PASSIVO PARA HABITAÇÕES EXISTENTES E ESTUDOS DE SENSIBILIDADE ... 102
3.4.1 Introdução ... 102
3.4.2 Proposta de Índices de desconforto passivo ... 103
3.4.2.1 IDP1 (ºC.h) ... 103
3.4.2.2 IDP2 (ºC) ... 104
3.4.2.3 Correlação entre o IDP1 e o IDP2 ... 104
3.4.3 Análise da influência do isolamento em paredes, tipo de vãos, orientação e perfil de aquecimento intermitente ... 105
3.4.4 Análise da influência do fator de forma e do clima ... 106
3.4.4.1 Variação do fator de forma – Cobertura sem empenas (C) ... 107
3.4.4.2 Variação do fator de forma – Cobertura e empenas (CE) ... 107
3.4.4.3 Variação do clima - Lisboa ... 108
3.4.4.4 Variação do clima - Málaga ... 109
3.4.5 Análise do desconforto pelo modelo adaptativo da EN 15251 ... 110
3.5 COMPARAÇÃO DA CLASSE DO DESCONFORTO COM A CLASSE ENERGÉTICA ... 110
3.5.1 Proposta de Classe do desconforto ... 110
3.5.2 Classe Energética no âmbito do REH ... 111
3.6 PRESSUPOSTOS E LIMITAÇÕES DA METODOLOGIA ... 113
CAPÍTULO 4 QUANTIFICAÇÃO NUMÉRICA DO ÍNDICE DE DESCONFORTO PASSIVO ... 115
4.1 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO ISOLAMENTO EM PAREDES, TIPO DE VÃOS, ORIENTAÇÃO E PERFIL DE AQUECIMENTO INTERMITENTE ... 117
4.1.1 Introdução ... 117
4.1.2 Percentagem do tempo fora do intervalo de conforto no inverno e no verão ... 118
4.1.2.1 PD INV em regime de temperatura flutuante – Inverno ... 118
4.1.2.2 PD VER em regime de temperatura flutuante – Verão ... 119
4.1.2.3 PD INV com aquecimento intermitente – Inverno... 120
4.1.2.4 Síntese ... 121
4.1.3 Temperaturas médias interiores ... 123
4.1.3.1 TMINV em regime de temperatura flutuante – Inverno ... 123
4.1.3.2 TMVER em regime de temperatura flutuante –Verão ... 124
4.1.3.4 Síntese ... 127
4.1.4 Índice de desconforto passivo (IDP) e Necessidades Energéticas (NEINV) ... 127
4.1.4.1 IDP INV em regime de temperatura flutuante - Inverno ... 127
4.1.4.2 IDP VER em regime de temperatura flutuante – Verão... 128
4.1.4.3 IDP INV e NEINV com aquecimento intermitente - Inverno ... 129
4.1.5 Regime flutuante vs. Aquecimento intermitente – IDP INV vs. NE INV ... 131
4.1.6 Síntese ... 135
4.2 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO FATOR DE FORMA E DO CLIMA ... 136
4.2.1 Introdução ... 136
4.2.2 Análise da influência do fator de forma e do clima em regime de temperatura flutuante . 137 4.2.2.1 PD INV e PD VER em regime de temperatura flutuante – 3 climas ... 137
4.2.2.2 IDP1 (ºC.h) em regime de temperatura flutuante – 3 climas ... 139
4.2.2.3 IDP2 (ºC) em regime de temperatura flutuante – 3 climas ... 140
4.2.3 Análise da influência do fator de forma e do clima com aquecimento intermitente (2h) .. 144
4.2.4 Síntese ... 147
4.3 DESCONFORTO VS. ENERGIA – HIERARQUIZAÇÃO DO DESCONFORTO ... 147
4.4 ANÁLISE DO DESCONFORTO PELO MODELO ADAPTATIVO DA EN 15251 ... 151
4.4.1 Introdução ... 151
4.4.2 Conforto adaptativo segundo a norma EN15251 para os três climas: Porto, Lisboa e Málaga ... 152
4.4.3 Discussão dos resultados ... 155
4.5 ANÁLISE DE SENSIBILIDADE DO EFEITO DE VENTILAÇÃO NOTURNA NO DESCONFORTO DE VERÃO ... 156
4.5.1 Introdução ... 156
4.5.2 Resultados e discussão ... 157
4.6 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 158
CAPÍTULO 5 COMPARAÇÃO DA CLASSE DE DESCONFORTO TÉRMICO PASSIVO COM A CLASSE ENERGÉTICA 161 5.1 INTRODUÇÃO ... 163
5.2 PROPOSTA DE CLASSE DO DESCONFORTO ... 164
5.3 CLASSE DO DESCONFORTO VS. CLASSE ENERGÉTICA ... 167
5.3.1 Considerações iniciais sobre a classe energética ... 167
5.3.2 Resultados: Porto - Piso intermédio (Porto-PI) ... 168
5.4 SÍNTESE DO CAPÍTULO ... 183
CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 187
6.1 ENQUADRAMENTO E OBJETIVOS DA TESE ... 189
6.2 CONCLUSÕES ... 190
6.3 TRABALHOS FUTUROS ... 197
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 199 ANEXO I - Dados utilizados na construção de indicadores relacionados com pobreza energética na Europa-28 ANEXO II - Caraterização social dos agregados e das habitações inquiridas
ANEXO III - Verificação dos sensores utilizados na monitorização ANEXO IV – Calibração do modelo numérico
ANEXO V – Outros resultados experimentais
ANEXO VI – Caracterização geométrica do apartamento R/C Sul
ANEXO VII – Propriedades dos materiais considerados no modelo numérico ANEXO VIII – Resultados de simulação dos estudos de sensibilidade do Capítulo 4 ANEXO IX – A) MATRIZ DE IDP 1 (ºC,H) – CLIMA DO PORTO, PISO INTERMÉDIO (PI)
– B) MATRIZ DE IDP 1 (ºC.H) – CLIMA DO PORTO, COBERTURA E EMPENAS (CE) ANEXO X – Características dos sistemas técnicos considerados no Capítulo 5
ANEXO XI – A) Valores de Nic, Ni, Nvc, Nv, Ntc e Nt (REH) – CLIMA DO PORTO, PISO INTERMÉDIO (PI) – B) Valores de Nic, Ni, Nvc, Nv, Ntc e Nt (REH) – CLIMA DO PORTO, COBERTURA E EMPENAS (CE)
ÍNDICE FIGURAS
Figura 1 – Total de edifícios por tipo de construção (a); proporção de edifícios concluídos, por tipo de obra, na última
década em Portugal (b) ... 3
Figura 2 – Distribuição de consumos domésticos (Portugal) e alguns indicadores gerais para a EU-28 e Portugal 2, 3, 4, 5 ... 4
Figura 3 - Mapa de classificação “Koppen-Geiger” – Europa e Portugal ... 11
Figura 4 – Temperaturas médias anuais (ºC) na Europa ... 12
Figura 5 – Temperatura média e precipitação acumulada anual, em Portugal (IPMA, 2016) ... 12
Figura 6 – Evolução entre 1980 e 2017 dos indicadores HDD e CDD na EU-28 ... 13
Figura 7 – Zonas climáticas da Europa, segundo a Norma ANSI/ASHRAE 169/2013 ... 14
Figura 8 – Evolução do preço do barril de petróleo ... 14
Figura 9 – Relação entre fontes e formas de energia (adaptado de AdePorto, 2015) ... 15
Figura 10 – Evolução dos consumos de energia primária e final em Portugal (DGEG 2019) ... 15
Figura 11 – Consumo de energia no setor doméstico na Europa, por tipo de uso no ano 2012 ... 16
Figura 12 - Distribuição do consumo de energia em tep por setor de atividade (à esquerda) e por tipo de utilização do setor doméstico (à direita), em Portugal (2010) e na média europeia (2012) ... 17
Figura 13 – Matriz de consumos domésticos e despesa, por fonte, em Portugal e na Europa, adaptado de (Odyssee-Mure Project 2015, INE/DGEG 2010) ... 17
Figura 14 - Distribuição do consumo em tep (à esquerda) e despesa em € (à direita) de energia para aquecimento do ambiente por tipo de fonte em Portugal, em 2010. ... 18
Figura 15 – Evolução do rendimento médio equivalente em Portugal e na Europa (EUROSTAT 2018a) ... 20
Figura 16 – Comparação de rendimentos anuais com o preço da eletricidade e do gás 11 (EUROSTAT 2019) ... 20
Figura 17 – Evolução dos preços da eletricidade (a) e gás (b) em Portugal e na UE-27 de 2013 a 2018 ... 21
Figura 18 – Indicadores de pobreza energética para a Europa em 2010 (adaptado de Bouzarovski, 2011) ... 21
Figura 19 – Aplicação do indicador LIHC (Hills 2011) aos países europeus ... 22
Figura 20 – Importância do Aquecimento (IA) UE-28 ... 22
Figura 21 - Taxa de esforço para aquecer (TEA) UE-28 ... 23
Figura 22 – Falta de motivação para aquecer (FMA) UE-28 ... 24
Figura 23 – Distribuição de edifícios na Europa, por tipologia em total de m2 (a) e em m2/capita (b) ... 25
Figura 24 - Evolução da legislação de Térmica em Portugal (1990-2019) ... 27
Figura 25 – Evolução temporal e distribuição por classes de desempenho de CE – ed. novos e existentes ... 29
Figura 26 - Frequências acumuladas dos valores de Nic, Ni, Nvc, Nv, Ntc e Nt para edifícios novos e existentes . 30 Figura 27 – Edifícios por época de construção e principais materiais utilizados, em Portugal (a) e no Porto (INE, 2011) ... 37
Figura 28 – Total de fogos concluídos e proporção por tipo de obra, na última década em Portugal ... 37
Figura 29 - Épocas consideradas na definição do modelo construtivo: a) Casa mercantilista (século XVII); b) Casa iluminista (século XVIII) e c) Casa liberal (século XIX) (adaptado de (Santos 2013)) ... 38
Figura 30 – Pormenores construtivos ilustrativos da casa antiga do Porto (Teixeira 2004) ... 40
Figura 31 – Modelo de conforto adaptativo proposto pela norma ASHRAE (2010) ... 43
Figura 32 – Modelo de conforto adaptativo da norma EN15251 (verão, sem climatização), com critério aceitável para o inverno (não adaptativo), adaptado de CEN (2007) ... 44
Figura 33 – Modelo de conforto adaptativo proposto por Matias (2010) ... 45
Figura 34 – Sobreposição dos modelos de avaliação do conforto adaptativo ... 46
Figura 35 – Limites adotados pela norma de conforto adaptativo EN 15251, pelo REH e no presente trabalho ... 47
Figura 36 – Zona de conforto para temperaturas do ar e humidade relativa, adaptado de (Woloszyn M. and Rode 2008) e com valores médios de temperatura e humidade relativa na cidade do Porto ... 56
Figura 37 – Resultados de questionário sobre hábitos de aquecimento e perceção do conforto em Portugal ... 57
Figura 38 – Distribuição de equipamentos para aquecimento e taxa de presença no total de alojamento ... 58
Figura 39 - Distribuição de equipamentos para arrefecimento e taxa de presença no total de alojamento ... 59
Figura 40 - Distribuição de equipamentos utilizados para AQS e taxa de presença no total de alojamento ... 59
Figura 41 – Consumos energéticos (teórico vs. real) (adaptado de G. Santin 2010, Hens 2010, Loga 2011, Laurent 2013, Palma 2019) ... 67
Figura 42 – ‘Fator de Aquecimento’ vs. Classe energética e vs. Período de retorno associado à troca de janelas por outras com baixa emissividade (adaptado de Tigchelaar 2011) ... 68
Figura 43 – Representação esquemática dos efeitos ‘rebound’ e ‘prebound’, adaptado de Sunikka-Blank and Galvin (2012) ... 69
Figura 44 – Metodologia proposta ... 74
Figura 45 - Tratamento simultâneo dos efeitos higrotérmicos: cargas interiores de calor e de humidade, clima exterior e comportamento transiente da envolvente (adaptado de Holm et al. (2004)) ... 76
Figura 46 – Parâmetros de cálculo no programa WUFI® Plus, adaptado de Fraunhofer IBP (2010) ... 77
Figura 47 – Localização na cidade do Porto e alçados (frontal e tardoz) do edifício ... 79
Figura 48 – Corte do edifício em estudo e planta do Piso 1 ... 80
Figura 49 - Definição da envolvente térmica dos dois apartamentos ... 82
Figura 50 – Vários pormenores do edifício em estudo (fotos de João Morgado e da autora) ... 82
Figura 51 – Sensores HOBO U12, UX100-011 e exemplo de posicionamento num dos apartamentos ... 82
Figura 52 – Disposição dos sensores e dimensões dos dois apartamentos ... 83
Figura 53 – Estação meteorológica da FEUP e distância ao edifício em estudo ... 84
Figura 54 – Temperatura e Humidade relativa exteriores, medidos na EM da FEUP (2016)... 84
Figura 55 – Diagramas boxplot (a) e frequências acumuladas (b) da temperatura e humidade relativa interiores e exteriores; e detalhe de registos T e HR para março 2016 (c) (2016)... 85
Figura 56 – Modelo geométrico dos apartamentos do primeiro piso, 1N e 1S ... 86
Figura 58 – Espaços não úteis (enu) ... 90
Figura 59 – Comparação da temperatura interior nas salas dos apartamentos 1N e 1S – exp vs. sim (2016) ... 90
Figura 60 – Comparação das temperaturas monitorizadas e simuladas para semanas tipo (norte e sul) ... 91
Figura 61 - Comparação da humidade relativa interior no apartamento 1N – exp. vs sim. (2016) ... 91
Figura 62 – Comparação das humidades relativas monitorizadas e simuladas para semanas tipo (norte e sul) .... 92
Figura 63 – Correlação entre temperaturas simuladas e monitorizadas (sul e norte) ... 94
Figura 64 – Avaliação do conforto térmico adaptativo pela EN 15251 – sala do 1N (a) e sala do 1S (b) (26 jan-26jan17) ... 96
Figura 65 – Esquema de funcionamento e exemplos da instalação do sistema Cloogy ... 97
Figura 66 – Valores totais (a) e por m2 (b) dos consumos para aquecimento; percentagem de aquecimento no total ... 98
Figura 67 – Consumo energético total para aquecimento e temperaturas interiores e exteriores ... 98
Figura 68 – Concentração de CO2 de 02-09 a 04-09-2017 no apartamento R/C sul ... 99
Figura 69 – Planta e alçado do apartamento tipo ... 100
Figura 70 – Caracterização do ficheiro climático do Porto utilizado no estudo de sensibilidade... 101
Figura 71 - Esquema representativo dos índices IDP1 (a) e IDP2 (b), nas suas componentes verão e inverno .... 103
Figura 72 – Correlação entre o IDP1 e IDP2 ... 104
Figura 73 – Variação ao fator de forma – PI, C e CE ... 106
Figura 74 – Geometria e modelo numérico dos apartamentos da cobertura. ... 107
Figura 75 – Caracterização do ficheiro climático de Lisboa ... 108
Figura 76 - Caracterização do ficheiro climático de Málaga ... 109
Figura 77 – Metodologia de determinação da classe de desconforto ... 111
Figura 78 – Cenários considerados no estudo de sensibilidade (400 simulações) ... 117
Figura 79 - Percentagem de desconforto no Inverno em regime de temperatura flutuante - PDINV ... 118
Figura 80 – Percentagem de desconforto no verão em regime de temperatura flutuante - PDVER ... 119
Figura 81 - Percentagem de desconforto no inverno com aquecimento intermitente (2h, 4h, 8h) - PDINV ... 122
Figura 82 - Temperaturas médias de inverno em regime de temperatura flutuante - TMINV ... 123
Figura 83 - Temperaturas médias de Verão em regime de temperatura flutuante - TMVER ... 124
Figura 84 – Temperatura média no inverno com aquecimento intermitente (2h, 4h, 8h) - TMINV ... 126
Figura 85 - Índice de desconforto passivo no inverno em regime de temperatura flutuante – IDPINV ... 128
Figura 86 – Índice de desconforto passivo no Verão – IDPVER... 128
Figura 87 - Índice de desconforto passivo no inverno com aquecimento intermitente (2h, 4h, 16h) – IDPINV ... 130
Figura 88 - IDPINV (ºC.h) em função do perfil de aquecimento para (a) PE1-0cm e (b) PE4-8cm ... 132
Figura 89 a - NEINV (kWh/m2) em função do perfil de aquecimento para (a) PE1-0cm e (b) PE4-8cm ... 132
Figura 90 b - NEINV (kWh/m2) em função do perfil de aquecimento para (a) PE1-0cm e (b) PE4-8cm ... 133
Figura 92 – Comparação do IDP INV para os vãos VE2 e VE3 em função do perfil de aquecimento ... 135
Figura 93 - Cenários considerados no estudo final (216 simulações) ... 137
Figura 94 – Percentagens de desconforto (PDINV e PDVER), para os 3 climas, 3 fatores de forma, 3 orientações, sem e com isolamento nas paredes de 6cm (par. fixos: VE1; sem aquecimento) ... 141
Figura 95 – IDP1 INV e IDP1 VER, para os 3 climas, 3 fatores de forma, 3 orientações, sem e com isolamento nas paredes de 6cm (par. fixos: VE1; sem aquecimento) ... 142
Figura 96 – IDP 2 INV e IDP 2 VER, para os 3 climas, 3 fatores de forma, 3 orientações, sem e com isolamento nas paredes de 6cm (par. fixos: VE1; sem aquecimento) ... 143
Figura 97 – PDINV VS. NEINV, para os 3 climas, 3 fatores de forma, 3 orientações, sem e com isolamento nas paredes de 6cm (par. fixos: VE1; 2h aquecimento)... 145
Figura 98 – IDPINV VS NEINV, para os 3 climas, 3 fatores de forma, 3 orientações, sem e com isolamento nas paredes de 6cm (par. fixos: VE1; 2h aquecimento)... 146
Figura 99 – Ordenação do indicador IDP1 e da soma (IDP2 INV +IDP2 VER ) e respetivas NE Aq para o Porto-norte 148 Figura 100 - Ordenação do indicador IDP1 e da soma (IDP2 INV +IDP2 VER) e respetivas NE Aq para o Porto-sul .. 149
Figura 101 a - Ordenação do indicador IDP1 e respetivas NE Aq para o Porto-oeste ... 149
Figura 102 b- Ordenação da soma (IDP2 INV +IDP2 VER) e respetivas NE Aq para o Porto-oeste ... 150
Figura 103 a – Ordenação do indicador IDP1 e respetivas NE Aq para Málaga-oeste ... 150
Figura 104 b – Ordenação da soma (IDP2 INV +IDP2 VER ) e respetivas NE Aq para Málaga-oeste ... 151
Figura 105 - Cenários considerados na avaliação do conforto adaptativo pela norma europeia EN15251 (36 combinações) ... 152
Figura 106 – Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para o Porto-PI e PE1 (0cm) ... 152
Figura 107 - Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para o Porto-CE e PE3 (6cm) ... 153
Figura 108 - Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para Lisboa-PI e PE1 (0cm) ... 153
Figura 109 - Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para Lisboa-CE e PE3 (6cm) ... 154
Figura 110 - Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para Málaga-PI e PE1 (0cm) ... 154
Figura 111 - Avaliação do desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) para Málaga-CE e PE3 (6cm) ... 155
Figura 112 - Cenários considerados no estudo de sensibilidade da ventilação noturna (48 combinações) ... 157
Figura 113 – Desconforto verão (IDP 1 VER )para diferentes cenários de ventilação noturna ... 158
Figura 114 - Desconforto verão (% Horas de desconforto)para diferentes cenários de ventilação noturna ... 158
Figura 115 – Variação do nível de desconforto anual (%), sem aquecimento (0h), para as quatro orientações (Porto – PI) ... 164
Figura 116 - Rácio RNT , em função do tipo de parede, tipo de vão envidraçado e orientação (Porto-PI) ... 168
Figura 118 - Rácio RNT, em função do tipo de parede, vão envidraçado e sistemas técnicos considerados (Porto-PI)
... 170
Figura 119 - Valores máximos e mínimos dos parâmetros do REH para Porto-PI ... 171
Figura 120 - IDP (%) vs. RNT para vários perfis de aq. intermitente (0/2/4/8/16h) norte (a), oeste (b), sul (c) (Porto-PI, ST1) ... 172
Figura 121 – IDP (%) vs. Rácio RNT para 0h e 2h de aquecimento (Porto-PI, ST1, sul). ... 173
Figura 122 - IDP (%) vs. Rácio RNT para 0h e 16h de aq., ST1 e ST3, norte (a) oeste (b) sul (c) (Porto-PI) ... 175
Figura 123 - Rácio RNT , em função do tipo de parede, vão envidraçado e orientação (Porto-CE) ... 177
Figura 124 - Rácio RNT, em função do tipo de parede e orientação (VE2, Porto-PI) ... 177
Figura 125 - Rácio RNT em função do tipo de parede, vão envidraçado e sistemas técnicos considerados (Porto-CE) ... 178
Figura 126 – Valores mínimos máximos e médios dos parâmetros do REH para Porto-CE. ... 179
Figura 127 - IDP (%) vs. RNT para 0, 2h e 4h de aquecimento, para norte (a), oeste (b), sul (c) (Porto-CE, ST1) . 180 Figura 128 - IDP (%) vs. Rácio RNT para 0h e 2h de aquecimento (Porto-CE, ST1, sul). ... 181
Figura 129 - IDP (%) vs. RNT sem aquecimento, para Piso intermédio (a) e Cobertura e empenas (b) (Sul, ST1) 182 Figura 130 - IDP (%) vs. Rácio RNT para 0h e 16h de aq., ST1 e ST3, norte (a) oeste (b) sul (c) (Porto-CE) ... 183
ÍNDICE TABELAS
Tabela 1 – Despesa com energia (€/alojamento) por tipo de utilização ... 18
Tabela 2 – Evolução dos principais requisitos mínimos, desde 2006 ... 27
Tabela 3 – Comparação dos valores de transmissão térmica máximos em Portugal e Espanha ... 28
Tabela 4 – Valores médios de Ntc e Nt para edifícios Existentes, por classe energética ... 31
Tabela 5 – Intervalos para a determinação da classe energética para edifícios de Habitação ... 32
Tabela 6 – Valores máximos do quociente entre os valores nominais e limite das necessidades de energia útil para aquecimento, arrefecimento e primária, em grandes intervenções (REH) ... 33
Tabela 7 – Famílias de índices de desconforto térmico a longo-prazo em edifícios ... 49
Tabela 8 – Comparação entre valor de Umáx (REH) e espessura de XPS mínima correspondente ... 52
Tabela 9 – Verificação dos requisitos mínimos do Uw (REH) para vários tipos de caixilharias ... 53
Tabela 10 – Verificação dos requisitos mínimos para os valores de g egT para vários tipos de vidro ... 54
Tabela 11 – Programas e medidas de incentivo à reabilitação da habitação particular em vigor ... 61
Tabela 12 – Sistemas construtivos do edifício em estudo (desenhos esquemáticos) ... 80
Tabela 13 – Características dos equipamentos de monitorização usados ... 83
Tabela 14 – Áreas dos compartimentos dos apartamentos 1N e 1S ... 86
Tabela 15 – Propriedades higrotérmicas dos materiais utilizados... 87
Tabela 16 – Hierarquia das fontes consultadas para propriedades dos materiais ... 88
Tabela 17 – Perfil de ocupação do apartamento 1S entre setembro-Dez 2016 ... 89
Tabela 18 – Validação do modelo numérico – apart. 1N (norte) ... 92
Tabela 19 – Validação do modelo numérico – apart. 1S (sul) ... 93
Tabela 20 – Coeficiente correlação de Pearson R2, para os 4 compartimentos ... 94
Tabela 21 – CV(RMSE) para as quarto divisões estudadas (norte e sul) ... 95
Tabela 22 – Características dos principais equipamentos que compõem o kit Cloogy ... 97
Tabela 23 - Parâmetros do sensor de CO2 ... 99
Tabela 24 – Parâmetros fixos do estudo de sensibilidade alargado ... 100
Tabela 25 – Perfil de ocupação do apartamento-tipo* ... 101
Tabela 26 – Cenários considerados no estudo de sensibilidade para o Porto-PI ... 105
Tabela 27 – Características dos vãos envidraçados considerados para o Porto-PI ... 105
Tabela 28 – Cenários considerados no estudo de sensibilidade final ... 106
Tabela 29 – Ficheiros climáticos utilizados no estudo de sensibilidade final ... 106
Tabela 30 - Variação de parâmetros considerados na avaliação do conforto pelo modelo adaptativo da norma EN15251 ... 110
Tabela 31 – Intervalos da classe do desconforto ... 111
Tabela 33 – Descrição de sistemas técnicos considerados no estudo de sensibilidade ... 112 Tabela 34 - Indicadores analisados no estudo de sensibilidade ... 118 Tabela 35 – Valores de NE INV para as orientações norte e sul e respetivas diferenças (função do perfil aquecimento)
... 131 Tabela 36 - Valores de NEINV para as orientações norte e sul e respetivas diferenças (função do tipo de parede
exterior) ... 131 Tabela 37 – Indicadores analisados para o estudo da influência do fator de forma e clima ... 136 Tabela 38 - Variação de PD (INV / VER) em função dos fatores de forma e orientações (regime de temperatura flutuante
e VE1) ... 139 Tabela 39 – Variação de IDP1 (INV / VER) em função dos fatores de forma e orientações (regime de temperatura flutuante
e VE1) ... 140 Tabela 40 - Variação de IDP2 (INV / VER) em função dos fatores de forma e orientações (regime de temperatura flutuante
e VE1) ... 140 Tabela 41 – Percentagem de desconforto pelo modelo adaptativo da EN15251 (cat II e III) ... 156 Tabela 42 – Taxas de ventilação consideradas no estudo de sensibilidade ... 156 Tabela 43 - Cenários considerados na comparação da classe desconforto com a classe energética (592 combinações) ... 163 Tabela 44 – Classes de desconforto para o clima do Porto, piso intermédio - Inverno e Verão ... 165 Tabela 45 - Classes de desconforto para o clima do Porto, piso intermédio - Anual ... 166 Tabela 46 - Sistemas técnicos considerados no estudo de sensibilidade ... 167 Tabela 47 - Rácio RNT , em função do tipo de parede, vão envidraçado e sistemas técnicos considerados (Porto-PI)
(a) e ocorrências de subida de classe energética em relação à opção ST1 (b) ... 170 Tabela 48 - Rácio RNT em função do tipo de parede, vão envidraçado e sistemas técnicos considerados (Porto-CE)
(a) e ocorrências de subida de classe energética em relação à opção ST1 (b) ... 178 Tabela 49 – Impacto no rácio RNT de medidas passivas e ativas ... 179
Tabela 50 - Perfil de ocupação do apartamento 1S entre setembro-Dez 2016 ... 5 Tabela 51 – Série de iterações para a calibração do modelo WUFIPlus ... 6 Tabela 52 – Resistências térmicas das proteções solares e da cavidade de ar ... 7
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
SÍMBOLO GRANDEZA UNIDADES
c Calor específico J/kg.K
Condutibilidade térmica W/(m.K) ou W/(m.ºC) Fator de resistência à difusão -
Massa volúmica/específica kg/m3
Porosidade m3/m3 ou %
U Coeficiente de transmissão térmica W/(m2ºC)
T Temperatura do ar interior ºC
Top Temperatura operativa ºC
HR Humidade relativa %
Tmp Temperatura média exterior ponderada ºC
IDP1/2 Índice de desconforto térmico, versão 1/2 ºC.h/ºC
Nic, Ni Necessidades anuais de energia útil para aquecimento (nominais e limite) kWh/(m2.a)
Nvc, Nv Necessidades anuais de energia útil para arrefecimento (nominais e limite) kWh/(m2.a)
Ntc, Nt Necessidades anuais de energia primária (nominais e limite) kWhEP/(m2.a)
ABREVIATURA DESCRIÇÃO
ADENE Agência para a Energia
CPCI Confederação Portuguesa da Construção e do Imobiliário
EM Estação meteorológica
FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
DGEG Direção Geral de Energia e Geologia
EPBD Energy Performance Buildings Diretive
EU União Europeia
GDA Graus Dias Aquecimento
HAMT Heat, Air, Moisture Transfer
IHRU Instituto da Habitação e Reabilitação Urbana
IEE Intelligent Energy Europe
LIHC Low income high costs
pp Pontos percentuais
PNAEE/ER Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética/Energias Renováveis
RERU Regime Excecional de Reabilitação Urbana
rph Renovações por hora
SCE Sistemas de Certificação Energética
TRY Test Reference Year
IDP INV Índice de desconforto passivo de inverno (ºC.h)
IDP VER Índice de desconforto passivo de verão (ºC.h)
CAPÍTULO 1
1.1
ENQUADRAMENTO
O setor da construção e imobiliário encontra-se atualmente numa fase de alteração de paradigma. Na segunda metade do séc. XX, sobretudo a partir dos anos 70, com o surgimento das primeiras políticas de habitação, o número de fogos novos disparou e durante décadas os grandes centros urbanos ficaram obsoletos e com um grande número de edifícios abandonados (Figura 1 a). Na última década e com a crise económica que se fez sentir, em todos os setores e em particular no imobiliário, a reabilitação foi o único caminho possível para várias empresas, ganhando um novo protagonismo face à construção nova. O impulso turístico vivenciado nos últimos anos nos centros históricos das maiores cidades, onde se encontram a maioria dos edifícios mais antigos, veio consolidar este caminho. Esse peso atingiu o seu pico no ano de 2014 (quando o número de licenças de reabilitação – ampliação, alteração ou reconstrução - chegou a ser 33,7% do total) (INE 2019). Desde então, com a recuperação económica entretanto vivida, apesar da reabilitação de edifícios se manter a bom ritmo, o peso da construção nova voltou a aumentar (Figura 1 b). De qualquer forma, o peso da reabilitação em Portugal ainda fica bastante aquém da média europeia que se aproxima dos 57% (Irati ARTOLA et al. 2016) .
A realidade é que, face ao elevado stock de edifícios existentes em Portugal - 3,5 milhões de edifícios e 6 milhões de frações para 10,5 milhões de habitantes (INE 2011) -, era expectável que o ritmo de construção nova que se verificou nas penúltimas décadas abrandasse. Por outro lado, dado o elevado stock de edifícios existentes a precisar de intervenção, a sua reabilitação era um caminho obrigatório. Existiam em Portugal no ano de 2011, cerca de 600 mil edifícios (17%) a necessitar de pequenas reparações e outros 600 mil (17%) a necessitar de reparações médias a muito grandes (INE 2011).
O objeto do presente estudo são precisamente os edifícios antigos, anteriores à introdução do betão armado, que em Portugal são cerca de 380 mil (INE, 2011), em particular com a arquitetura típica da casa burguesa do Porto, que são cerca de 13 mil e que se replica sobretudo na região norte do país, com um total de 116 mil. Aos edifícios antigos, acresce o fator do importante valor arquitetónico que muitos deles representam, reforçando o cuidado a ter nas intervenções.
Figura 1 – Total de edifícios por tipo de construção (a); proporção de edifícios concluídos, por tipo de obra, na última década em Portugal (b)
Por outro lado, a diretiva europeia para o desempenho energético dos edifícios (Energy Performance of Buildings Directive, EPBD), de 2002, com duas revisões em 2010 e em 2018, criou o enquadramento legal para a definição do sistema de certificação energética dos edifícios (SCE) nacional (reportando ainda à diretiva de 2010). A transposição das diretivas para Portugal resultou na promulgação de dois conjuntos de diplomas, o primeiro em 2006, e o segundo e atualmente em vigor, em 2013, que para habitação se concretiza no Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH). As revisões da diretiva (2010, 2018) vieram aumentar o seu impacto pelo agravamento das metas a cumprir para edifícios novos ou grandes intervenções. Isto reflete-se
0 100 200 300 400 500 600 Edifícios (x 103)
PORTUGAL OutrosPar alven. pedra solta/adobe
Par alven. s/ placa Par alven c/ placa Betão armado 77,7% 66,3% 73,6% 22,3% 33,7% 26,4% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Ampliação Alteração Reconstrução
Const. nova Reabilitacao
na revisão da legislação nacional de 2013 e, em particular, na Portaria que estabelece os requisitos mínimos, onde os novos valores máximos do coeficiente de transmissão térmica - Umáx (W/m2.ºC) – da envolvente dos edifícios
reduziram para valores da ordem de 0,3 e 0,5 W/m2.ºC (quando em elementos novos ou intervencionados). Isto
obriga os proprietários à colocação de fortes espessuras de isolamento, o que é desejável para reduzir consumos de energia quando se aquece, mas pode apresentar inconvenientes quando não se aquece, como o aumento do risco de condensações internas e de sobreaquecimento no verão (Freitas 2016b, Hens 2015, Corvacho 2016, Sousa, Bragança, and Almeida 2013). Acresce a este aspeto, o facto de a metodologia de cálculo da certificação energética contabilizar os consumos energéticos para satisfação das necessidades de aquecimento a arrefecimento, correspondentes a determinados níveis de conforto (25ºC no verão e 18ºC no inverno, no caso português). Estes limites de conforto são valores fixos assumidos para toda a área da habitação e para as 24h do dia. Esta abordagem faz sentido para países onde a prática de aquecimento no inverno é contínua, como acontece em grande parte dos países do centro e norte da Europa. Em média para a Europa (EU-28) 67% do total de energia consumida no setor residencial destina-se ao aquecimento ambiente (Odyssee-Mure Project 2015, EEA 2013), representando de longe, a parcela com maior expressão. No entanto, em Portugal, esse consumo representa apenas 21,5% do total de energia consumida no setor doméstico (Figura 2) e 10,7% da despesa (INE/DGEG 2010), valores muito inferiores às médias europeias.
Figura 2 – Distribuição de consumos domésticos (Portugal) e alguns indicadores gerais para a EU-28 e Portugal 2, 3, 4, 5
Analisando os fatores que justificam os baixos hábitos de climatização dos portugueses, destacam-se:
Clima mediterrânico/atlântico, com invernos moderados e verões quentes a sul – Portugal tem cerca de um terço dos Graus Dias de Aquecimento, comparativamente com a média europeia;
Falta de rendimentos e preço de energia alto - Portugal apresentou, em 2018, um rendimento médio anual 46% inferior ao da média europeia, e em contrapartida os preços da eletricidade e gás foram em 2018, 10% e 27% superiores aos das respetivas médias europeias;
Cultura – em Portugal estão amplamente enraizados hábitos de aclimatização ao clima com medidas de adaptação passiva, como o uso de mais roupa no inverno e a abertura de janelas para ventilação.
1 Temperaturas consultadas nas normais climatológicas do IPMA (1981-2000) e em Weatherdatabase.com a 05-08-2016b (ºC). 2 GDA: O Eurostat calcula os GDA através do somatório das diferenças (18 °C – T.méd) se T.méd < 15 °C (limite de aquecimento) e zero se T.méd ≥15 °C; T. méd é a média diária da T. exterior, calculada pela fórmula T.méd= (Tmín + Tmáx / 2).
3 Mediana do rendimento disponível equivalente em €, disponível para gastos ou poupança (depois de deduzidos impostos), dividido pelo número de membros do agregado familiar convertido em adultos equalizados para o ano de 2018 (EUROSTAT, 2016) 4 Preços de eletricidade e gás (€/kWh) consultados na EUROSTAT para o ano de 2018, com determinados pressupostos apresentados oportunamente no presente documento.
5 A percentagem de consumo para aquecimento-ambiente, do consumo total de energia doméstica, na Europa e em Portugal, resulta da consulta às bases de dados da Enerdata (tep, 2012) e do ICESD (tep, 2010), respetivamente.
Aquecimento 21,5% Arrefecimento 0,5% AQS 23,5% Cozinha 39,1% Equipamentos 10,9% Iluminação 4,5% indicadores EU-28 (1) Portugal (2) (2-1) (1)
temperatura média anual1 8,2 15,7 + 91%
GDA (2017)2 2817 1055 - 63% rendimento (2018)3 17 360 9 346 - 46% preço eletricidade / preço gás4 (2018) 0,205/ 0,060 0,225/ 0,076 + 10% + 27% % consumo aquecimento5 67 21,5 - 68%
O conceito de pobreza energética, definida como a incapacidade financeira para manter uma habitação quente/confortável (Bouzarovski 2011) ajuda a explicar o fenómeno, sendo Portugal um dos países mais vulneráveis neste âmbito em toda a Europa (Bouzarovski 2011, EUROSTAT 2018a).
Isto significa que as pessoas não têm capacidade para aquecer as suas casas no inverno, mesmo quando é necessário. E não aquecendo, estudos comprovam que a maioria das casas em Portugal são pouco confortáveis na estação mais fria (Jerónimo 2014, Curado 2014, Magalhães 2016, Horta et al. 2019), apesar da questão do conforto térmico não ser tão valorizada como noutros países da Europa (Flores 2013, Magalhães 2016, Horta et al. 2019). Cerca de 71% dos edifícios existentes em Portugal são anteriores a 1990, data do primeiro Regulamento de Térmica nacional e apresentam muitos problemas de desempenho térmico e de ocorrência de patologias de caráter higrotérmico carecendo de intervenções de melhoria (Silva et al. 2010, Horta et al. 2019).
Um dos objetivos da presente Tese é, assim, refletir e avaliar com espírito crítico se a metodologia associada às normativas europeias de Certificação Energética será a mais adequada para a reabilitação em Portugal, ou para outros países do sul da Europa, tendo em conta os baixos hábitos de climatização, sobretudo de aquecimento (o arrefecimento representa apenas 2,2% do total de consumo para climatização em Portugal (INE/DGEG, 2010) e menos de 1% na média europeia (Odyssee-Mure Project 2015)). Não se gasta muita energia, o que é bom, mas as casas são desconfortáveis, pelo que a tónica deveria ser colocada antes na redução do desconforto, onde existe um grande potencial de melhoria e não só na redução da fatura energética, que já é baixa (Escandón, Suárez, and Sendra 2017).
Por outro lado, a obrigatoriedade dos certificados energéticos nas grandes intervenções de reabilitação ou em qualquer transação comercial de compra e aluguer, traz uma oportunidade para otimizar o conforto térmico e a eficiência energética das habitações. Desta forma, será crucial saber aproveitar esta conjuntura e os mecanismos de financiamento disponibilizados pela Europa para reabilitar os edifícios do ponto de vista energético e do conforto térmico (para além de todos os outros aspetos, nomeadamente, de segurança estrutural), de forma a assegurar, com eficácia, uma melhoria das condições do conforto, com o mínimo dispêndio de energia. É importante ainda considerar na equação da decisão sobre medidas de melhoria, os custos de investimento e os períodos de amortização reais, tendo em conta as poupanças de energia efetivas e não expetativas irreais sugeridas nos certificados energéticos (Simões 2016, Freitas 2016a, Majcen, Itard, and Visscher 2013). Para os edifícios antigos, a avaliação das medidas a considerar deverá ser ainda mais criteriosa, dado o seu valor arquitetónico acrescido e o forte impacto que algumas medidas podem representar.
Apesar de existir uma extensa bibliografia sobre as vantagens potenciais (teóricas) em torno das medidas sugeridas nos certificados, ainda são poucos os estudos ao nível das reais implicações e benefícios criados, nomeadamente pela redução real das faturas energéticas nas habitações e ainda do nível de conforto real dos seus ocupantes pela implementação dessas medidas (Ma et al. 2012).
No entanto, são já vários os estudos que constatam consideráveis diferenças entre o cálculo teórico de necessidades energéticas e os consumos reais ou efetivos tanto no sul da europa (Magalhães 2016, Coimbra 2013, Sendra et al. 2013, Tronchin and Fabbri 2008, Palma, Gouveia, and Simões 2019), como noutros países como França, Holanda, Bélgica, Alemanha e Reino Unido (Hens 2010, Majcen, Itard, and Visscher 2013, Guerra Santin 2010, Tigchelaar, Daniëls, and Menkveld 2011, Curtis and Pentecost 2015, Cayre et al. 2011, Sunikka-Blank and Galvin 2012). Este efeito é referido na bibliografia como ‘rebound effect’ que sumariamente se refere a uma alteração de comportamento quando são introduzidas medidas de melhoria da eficiência energética. Estes estudos evidenciam que a diferença entre consumo teórico e o real é maior quanto mais ineficientes são as habitações, o que é o caso de grande parte do stock de habitação em Portugal. Estas diferenças têm duas implicações diretas relevantes. Por um lado, os períodos de retorno dos investimentos das medidas de reabilitação são irrealistas, induzindo em erro os proprietários (Escandón, Suárez, and Sendra 2017). Por outro, as metas nacionais e europeias de redução no consumo de energia do setor, baseadas nos consumos teóricos, revelam-se igualmente irrealistas (Majcen, Itard, and Visscher 2013).
É neste sentido que se propõe uma abordagem complementar, mais ajustada à nossa especificidade climática, económica e cultural, de avaliação da qualidade térmica das habitações, pela quantificação do índice de desconforto passivo, através da simulação higrotérmica avançada do edifício-tipo em condições reais de utilização, em particular no inverno. Condições reais significam, neste contexto, aquecimento intermitente, daí a importância do termo passivo. Trata-se de uma abordagem complementar, uma vez que pretende responder à questão “quanto desconforto existe na habitação, sem climatização ou com aquecimento intermitente?”, ou “como poderei melhorar o desconforto, para determinados hábitos de climatização?”, em detrimento da questão: “quanta energia precisamos para o conforto e quanta energia poupamos na nossa habitação?”. A melhoria desse desconforto será, assim, um novo objetivo a atingir mediante diversas possibilidades de beneficiação térmica da habitação nas suas componentes construtivas e/ou nas componentes de climatização (aquecimento e arrefecimento intermitentes), cabendo depois a cada proprietário a melhor decisão de investimento em cada caso específico.
Também fruto da alteração de paradigma do setor da construção em Portugal – com uma maior importância da reabilitação no setor - constata-se uma grande dificuldade em enquadrar as intervenções nos regulamentos existentes, concebidos para a construção nova. Por este motivo, foi publicado em 2014, o Decreto-Lei nº53/2014 que estabelecia o Regime Excecional para a Reabilitação Urbana (RERU), instrumento legal provisório para flexibilizar as intervenções de reabilitação, mas que se revelava muito vago e permissivo. Muito recentemente foi revogado aquele diploma e aprovado o diploma que e estabelece o Regime aplicável à reabilitação de edifícios ou frações autónomas (DL 95/2019 de 18 de julho). Este novo diploma vai de encontro à motivação do presente trabalho, através de uma maior flexibilização nas intervenções de reabilitação quando se trate de edifícios antigos, de modo a garantir a qualidade das intervenções, mas salvaguardando a especificidade de cada caso, tão importante quando se intervém em património existente.
1.2
OBJETIVOS DO TRABALHO
Os principais objetivos da investigação em curso são:
Avaliar a aplicabilidade de um modelo de simulação higrotérmica avançada, validando-o experimentalmente, para um edifício-tipo selecionado;
Definir um índice de desconforto passivo (IDP), com base nos valores de temperatura obtidos a partir da simulação avançada, em regime flutuante, ou aquecimento intermitente, e sua comparação com os critérios de conforto definidos pelas normas, para vários cenários;
Sistematizar os resultados do IDP em níveis de qualidade passiva, ao qual estará associada uma classe do desconforto;
Comparar os resultados, para diferentes cenários, da classe do desconforto com a classe energética definida pela normativa europeia.
Como objetivos secundários, mas diretamente relacionados com os anteriores, referem-se:
Caraterizar os consumos domésticos para climatização e o fenómeno de pobreza energética em Portugal, no contexto europeu;
Traçar o diagnóstico e o ponto de situação da implementação do sistema de certificação energética em Portugal, para o uso habitacional;
Fazer uma reflexão sobre alguns pressupostos do sistema, considerando a realidade e especificidade climática, económica e cultural das habitações portuguesas, bem como em contexto da reabilitação de edifícios existentes, em particular, os antigos;
Monitorizar a temperatura a humidade relativa interiores e ainda o consumo energético de uma fração localizada no edifício-tipo, representativo da amostra selecionada - edifícios antigos da região norte -, com avaliação do desempenho térmico considerando perfis de climatização correntes.
1.3
ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO
O presente texto encontra-se dividido em 6 Capítulos. Em seguida, apresenta-se o conteúdo de cada um: O Capítulo § 1 enquadra o tema, apresenta os principais objetivos e descreve a organização do texto; O Capítulo §2 apresenta o estado de arte relativamente aos temas diretamente relacionados com o
presente trabalho com o foco nos seus objetivos, nomeadamente a caracterização do clima português e do sul da europa, dos consumos domésticos para climatização, do fenómeno da pobreza energética em Portugal; apresenta o ponto de situação da implementação do sistema de certificação energética de edifícios de habitação; enquadra o mercado da reabilitação de edifícios existentes em Portugal; carateriza os edifícios antigos, objeto do presente estudo; descreve as principais medidas de beneficiação térmica e energética adotadas em habitações de edifícios antigos; sintetiza o estado de arte dos modelos e índices de avaliação do conforto térmico adaptativo; e, finalmente, resume as principais conclusões de estudos nacionais e europeus relacionados com o tema;
O Capítulo § 3 apresenta a metodologia adotada; os resultados experimentais para validação de um modelo numérico avançado; é também proposta a definição de índice de desconforto passivo (IDP) e do nível de desconforto; finalmente é apresentada no contexto da metodologia, a estrutura dos capítulos seguintes; O Capítulo § 4 apresenta os resultados do estudo de sensibilidade desenvolvido a partir da simulação
dinâmica avançada, no que diz respeito ao índice de desconforto passivo proposto e as respetivas necessidades energéticas, associadas a diferentes perfis de aquecimento intermitente, orientação e para diferentes opções de isolamento nas paredes e vãos envidraçados; é ainda analisada a influência do clima e do fator de forma para alguns cenários representativos; finalmente é avaliada a questão do conforto adaptativo no verão;
O Capítulo §5 compara a classe de desconforto com a classe energética, resultante do regulamento atualmente em vigor e discutem-se os resultados;
CAPÍTULO 2
ESTADO DE ARTE: CLIMA, ENERGIA E
CONFORTO TÉRMICO DE EDIFÍCIOS DE HABITAÇÃO
2.1
CLIMA PORTUGUÊS NO CONTEXTO EUROPEU
A Europa, apesar de ser um continente relativamente pequeno, quando comparado com os restantes, apresenta uma grande variedade de climas. Segundo a classificação originalmente desenvolvida por Wladimir Koppen há mais de cem anos e adaptada por Peel et al. Peel (2007), a Europaapresenta um clima predominantemente frio – letra D, temperado – letra C e polar – letra E, estando Portugal na zona classificada como temperada, de acordo com a Figura 3.
Figura 3 - Mapa de classificação “Koppen-Geiger” – Europa e Portugal
Esta classificação resulta de 1209 estações meteorológicas de precipitação e de 684 estações meteorológicas de temperatura, cujos valores foram validados por estações meteorológicas previamente existentes nos locais de medição.
A temperatura média anual na Europa varia significativamente (Figura 4), desde 2,7ºC na Finlândia e 18,7ºC em Chipre e Malta. Os países do sul da Europa apresentam temperaturas médias bastante superiores aos países do centro e norte. O inverno continua a ser a estação mais rigorosa na maior parte da Europa, embora com especial destaque para o norte, onde chegam a existir cidades com temperaturas negativas durante longos períodos. Por sua vez, o sul da Europa, apresenta, em geral nesta estação, temperaturas médias nos meses de inverno que podem ser da ordem dos +5ºC a +10ºC.
Portugal é caracterizado por dois tipos de clima, no sul e centro pelo tipo Csa (temperado com verão seco e quente) e no norte pelo tipo Csb (que significa temperado com verão seco e ameno) (Figura 3). É, desta forma, um dos países mais quentes da União Europeia, onde a temperatura média anual varia, no continente, entre os 12ºC nas zonas montanhosos a norte, até mais de 18ºC no sul e na bacia do Guadiana. A média anual nacional situa-se nos 15,2ºC (com base nas normais climatológicas provisórias do IPMA de 1981 a 2000). O record da temperatura foi registado em Amareleja, concelho de Moura, uma pequena aldeia junto a Espanha, tendo chegado aos 47,4ºC no ano de 2003. É apresentada na Figura 5 a distribuição no país da temperatura média e da precipitação média (IPMA 2016).
Figura 4 – Temperaturas médias anuais (ºC) na Europa6
Figura 5 – Temperatura média e precipitação acumulada anual, em Portugal (IPMA, 2016)
O clima exterior é, a par das caraterísticas da envolvente dos edifícios, o principal fator que determina as condições interiores de conforto térmico dos ocupantes dos edifícios, através do balanço das trocas térmicas entre o exterior e o interior. Mais ainda, vários estudos de avaliação do conforto adaptativo já reconheceram a importância do clima exterior para a determinação dos padrões de conforto interiores, como função do primeiro.
Os graus dias de aquecimento ou heating degree days (GDA/HDD) são o principal indicador utilizado nas metodologias de cálculo para efeitos das necessidades energéticas dos edifícios na estação fria. No atual sistema de certificação energética são consideradas três regiões climáticas em todo o território para o inverno (I1, I2 e I3) em função dos GDA, na base 18ºC, e três regiões no verão (V1, V2 e V3), em função da temperatura média exterior nessa estação. A Figura 6 a) apresenta a evolução nas últimas décadas dos GDA e a sua variação na EU-28 e de seis cidades portuguesas com diferentes climas (EUROSTAT 2018b). Como se pode ver na mesma figura, Portugal apresenta dos valores mais baixos, mesmo considerando a região mais fria de Bragança. Na mesma figura b), é possível ver os graus dias de arrefecimento ou cooling degree days (CDD), em que se constatam valores muito mais baixos, ou mesmo negligenciáveis, com exceção dos países do sul da europa, em particular as ilhas Malta e Chipre, únicos países onde os CDD são mais elevados que o HDD.
6 Consultado em http://www.weatherbase.com/ a 10-11-2015. Este site calcula as médias anuais das últimas décadas e recolhendo informação de várias estações meteorológicas espalhadas pelos países.
9,45 15,7 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Fi nl an d Ic el an d Sw ed en Es to ni a La tv ia Li th ua ni a Sl ov ak ia Cz ec h Re pu bl ic Po la nd Au st ria De nm ar k Sl ov en ia G er m an y Lu xe m bo ur g Ro m an ia Be lg iu m Ne th er la nd s Un ite d Ki ng do m EU -2 8 Bu lg ar ia Hu ng ar y Fr an ce Cr oa tia Italy Sp ai n Po rtu ga l G re ec e Cy pr us M al ta ºC
Figura 6 – Evolução entre 1980 e 2017 dos indicadores HDD e CDD7 na EU-28
Os HDD e CDD servem também para a classificação climática constante na Norma americana ANSI/ASHRAE 169 (2013) Climatic Data for Building Design Standards, onde o clima em Portugal se localiza na zona 3A Warm Humid, com exceção de Trás os Montes que se localizam na zona 4C Mixed Marine (Figura 7).
Por outro lado, considerando a evolução do clima especificamente para o clima mediterrânico, conclui-se que esta zona está a ficar tendencialmente “mais seca tornando-se progressivamente mais vulnerável a secas extremas e incêndios”, segundo o Grupo de Trabalho da Comissão Europeia para as alterações climáticas (EC 2015). Já o Painel Intergovernamental para as alterações climáticas estima que as temperaturas subam de 0,3-0,7ºC a 2,6-4,8ºC até 2100, tendo por base os anos 1986-2005; no sul da europa, estima um aumento de 0,5ºC por década (Barbosa, Vicente, and Santos 2015). E aqui reside parte da importância do presente estudo. Enquanto, em grande parte dos países Europeus (com invernos bastante rigorosos e verões moderados), faz sentido falar em consumos energéticos elevados para atingir uma determinada gama de conforto dentro dos edifícios, em grande parte do ano, os países do sul têm a particularidade de terem um clima muito mais próximo das franjas de conforto humano em determinadas zonas, no inverno, ou chega a haver um risco de sobreaquecimento no verão.
7 Analogamente aos HDD, a Eurostat calcula os CDD através do somatório das diferenças (T.méd-21ºC) se T.méd > 21°C (limite de arrefecimento e zero se T.méd ≤ 24 °C; T.méd é a média diária da T.exterior, calculada pela fórmula T.méd=(Tmín+Tmáx/2).
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000 6 500 7 000 B ra ga nç a B ra ga P or to C oi m br a Li sb oa F ar o M al ta C hi pr e P or tu ga l E sp an ha G ré ci a Itá lia C ro ác ia F ra nç a B ul ga ria H ol an da B el gi ca Ir la n da H un gr ia E sl o vé ni a R .U ni do Lu xe m b. R om én ia A le m a nh a E U -2 8 D in am a rc a E sl o vá q… P ol ón ia R ep .C h… A us tr ia Li tu ân ia Le tó ni a E st ón ia S ué ci a F in lâ nd ia ºC.d 2017 2010 2000 1990 1980 HDD 2017 - Portugal 0 100 200 300 400 500 600 700 800 D in a m a … E st ó n ia F in lâ n d ia Ir la n d a S u é ci a R .U n id o L e tó n ia L itu ân ia H o la n da A le m a nh a B e lg ic a P o ló n ia R e p .C h… L u xe m b . A u st ri a E sl o vá q … F ra n ça E sl o vé n ia E U -2 8 R o m én ia H u n gr ia C ro ác ia B u lg a ri a P o rt ug a l It á lia E sp a n ha G ré ci a M al ta C h ip re ºC.d 2017 2010 2000 1990 1980 CDD 2017- Portugal a b
Figura 7 – Zonas climáticas da Europa, segundo a Norma ANSI/ASHRAE 169/2013
2.2
ENERGIA, CONSUMOS DOMÉSTICOS E POBREZA ENERGÉTICA
2.2.1 ENQUADRAMENTO
A política energética desempenha atualmente um papel incontornável na agenda europeia e internacional. O aumento progressivo do consumo dos recursos energéticos a nível mundial, sobretudo após a revolução industrial e ainda com mais expressão nas últimas décadas, fruto de sociedades cada vez mais desenvolvidas e consumidoras, aliado ao seu carácter predominantemente não renovável, e ainda às alterações climáticas, têm despertado progressivamente as mentes dos decisores para a importância de concertar esforços e medidas políticas à inversão deste ciclo.
A expressão eficiência energética entrou definitivamente no vocabulário internacional e na rotina das pessoas, com aplicações abrangentes, desde os mais pequenos eletrodomésticos, aos edifícios como um todo, passando pelos transportes, indústrias, e todos os outros setores. A realidade é que o baixo custo da energia acabou desde a crise energética dos anos 70.
Na Figura 8 é possível constatar a evolução do preço do barril de petróleo a partir do ano 1946 até à atualidade (InflationData 2019).
Figura 8 – Evolução do preço do barril de petróleo
$ 20 $ 40 $ 60 $ 80 $ 100 $ 120 19 46 19 48 19 50 19 52 19 54 19 56 19 58 19 60 19 62 19 64 19 66 19 68 19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04 20 06 20 08 20 10 20 12 20 14 20 16 20 18
Desta forma, melhorar a eficiência energética e reduzir a produção de gases poluentes são objetivos globais do ponto de vista económico, social e ambiental. É imperativo que as sociedades se tornem mais eficientes, com uma melhor gestão dos recursos energéticos, passando essa gestão por menores consumos globais, diversificação de fontes de energia e aumento da quota da energia renovável.
Todas estas questões são tanto mais importantes, quanto maior a dependência energética dos países e quanto maiores os consumos globais. Importa, desde logo, distinguir três conceitos, relacionados com a palavra Energia:
Energia primária: conforme existe na natureza;
Energia final: depois de processada, e pronta a ser comercializada (na verdade o termo correto seria vetor energético pois energia só existe na forma como se encontra na natureza);
Energia útil: a que se converte efetivamente num determinado uso. A Figura 9 ilustra os três conceitos, nas suas várias formas e a relação entre elas.
Figura 9 – Relação entre fontes e formas de energia (adaptado de AdePorto, 2015)
A Diretiva para a Eficiência Energética (2012/27/EU) veio impor aos Estados Membros a apresentação de Planos Nacionais de Ação para a Eficiência Energética (PNAEE). Nesse âmbito, Portugal promove periodicamente estes planos com o objetivo de sistematizar a informação dos consumos expectáveis, planear medidas de incentivo à eficiência energética pelos cidadãos e empresas e, assim, melhorar o desempenho individual de cada país, com vista à prossecução das metas europeias.
Na Figura 10 pode observar-se a evolução dos consumos de energia primária e final na última década em Portugal. O desfasamento entre a redução dos consumos de energia primária e final, deve-se sobretudo ao aumento dos contributos de fontes de energia renovável, em especial a hidroelétrica. É evidente o efeito da crise dos últimos anos com início em 2011, sendo que só em 2017 se começou a recuperar lentamente, ainda assim com consumos abaixo de 2005-2007.
Figura 10 – Evolução dos consumos de energia primária e final em Portugal (DGEG 2019)
