DESEMPENHO ENERGÉTICO DE DIFERENTES TIPOS DE
COBERTURAS VERDES EM PORTUGAL
C. MATOS SILVA M. GLÓRIA GOMES M. SILVA Prof. Eng.ª Civil Prof. Eng.ª Civil Mestre Eng. Civil IST IST IST
Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal
cristina.matos.silva@tecnico.ulisboa.pt maria.gloria.gomes@tecnico.ulisboa.pt marcelosilva.rf@gmail.com
RESUMO
As coberturas verdes são regularmente associadas a um comportamento energético mais eficiente, mas são ainda relativamente escassos os estudos sobre o seu desempenho energético, em particular no clima mediterrânico. O presente estudo tem o objectivo de analisar o impacto das coberturas verdes no desempenho energético dos edifícios, utilizando o programa computacional de simulação energética EnergyPlus que disponibiliza um modelo de coberturas verdes. Este modelo possibilita a definição de vários parâmetros nomeadamente a altura das plantas, a densidade da vegetação (LAI) e a espessura do substrato. O presente trabalho baseia-se num modelo de simulação energética desenvolvido e validado experimentalmente para um caso de estudo em Lisboa, Portugal. Numa primeira fase, foi efectuada uma análise de sensibilidade do modelo num compartimento com a totalidade da envolvente térmica adiabática excepto a cobertura verde. Os resultados revelaram que coberturas verdes com solos mais espessos, plantas mais altas e mais densas são a melhor solução para reduzir o consumo de energia do sistema de climatização. Numa segunda fase, investigaram-se as poupanças de energia do sistema de climatização de três tipologias de coberturas verdes (extensiva, semi-intensiva e intensiva) relativamente a uma cobertura escura e uma cobertura clara e considerando diferentes níveis de isolamento térmico da cobertura. Os resultados demonstraram que as coberturas verdes semi-intensivas e intensivas podem reduzir os consumos de energia, principalmente para níveis de isolamento térmico baixos, quando comparadas com as coberturas escuras ou claras. As coberturas extensivas apenas revelaram ser um benefício energético relativamente a coberturas escuras não isoladas termicamente, sugerindo serem uma solução adequada para edifícios antigos.
1. INTRODUÇÃO
Uma cidade moderna, apresenta tipicamente uma pegada ecológica de 100 a 300 vezes a área total da cidade [1]. Como o desenvolvimento urbano continua em ascensão, este valor tenderá a aumentar, pelo que o desenho urbano deve ser rapidamente mudado.
As construções deverão ser uma continuidade do ambiente natural envolvente, de forma a permitir a reestruturação dos ecossistemas, redução da emissão de gases com efeito de estufa e adaptação às mudanças climáticas. Neste contexto, as coberturas verdes surgem como uma solução atractiva pois permitem a transformação dos espaços da cobertura em espaços verdes, alterando o uso da área de implementação dos edifícios sem comprometer o desenvolvimento urbano. A introdução de coberturas verdes num meio urbano permite aumentar a área verde disponível na cidade e simultaneamente contribui para adaptar as cidades às condições climáticas extremas. Por exemplo, a introdução de
coberturas verdes permite reduzir o efeito de ilha de calor e o consumo de energia do sistema de climatização assim como uma melhor gestão do escoamento das águas pluviais [2-5].
O sistema construtivo de uma cobertura convencional é composto por várias camadas. Imediatamente sobre o suporte estrutural coloca-se a camada de forma, em betonilha ou outro material similar, que permite nivelar a cobertura. De seguida, existe habitualmente o isolamento térmico e a membrana de impermeabilização, normalmente de cor escura ou clara.
Devido à existência de organismos vivos permanentemente em crescimento, a solução de cobertura verde necessita de ter cuidados complementares comparativamente com uma cobertura convencional [6], pelo que é habitual colocar uma membrana anti-raízes para proteger as camadas inferiores e um sistema de drenagem adequado que tem a função de permitir o escoamento da água em excesso e reter parte dela, de modo a manter uma boa quantidade de água para o correto crescimento das plantas. Numa solução de cobertura verde, é ainda importante existir uma camada de filtragem que estabiliza a camada de drenagem filtrando a água que passa, não deixando passar substrato que poderia entupir os canais de drenagem. Finalmente, as camadas superiores são o substrato e a vegetação.
As coberturas verdes podem-se dividir em três tipos distintos: intensiva, semi-intensiva e extensiva [6, 7]. As coberturas intensivas estão associadas aos jardins de cobertura, sendo normalmente acessíveis e para utilização frequente. Necessitam de uma profundidade de substrato considerável (0.15 a 1.2 m) de modo a albergar arbustos ou árvores. Consequentemente, exigem rega, manutenção e fertilização regulares. As coberturas extensivas são geralmente colocadas de forma contínua, sendo acessíveis apenas para manutenção. Têm uma camada fina de substrato, com uma profundidade geralmente inferior a 15 cm. As coberturas verdes semi-intensivas são consideradas uma solução intermédia (espessura do substrato entre 10-25 cm) que tira partido das vantagens dos outros dois tipos, como as menores necessidades de manutenção, irrigação e fertilização das coberturas extensivas, e a maior diversidade de vegetação das coberturas intensivas.
O tipo de cobertura verde escolhido deve ser adequado a cada edifício, devendo ter-se em conta vários factores, como o uso, vegetação e requisitos de manutenção pretendidos, capacidade estrutural do edifício, o clima da região e os métodos de execução.
O desempenho energético de uma cobertura verde depende essencialmente do tipo de cobertura verde e do clima local onde esta se insere. São ainda relativamente escassos os estudos sobre os efeitos das coberturas verdes no desempenho energético dos edifícios, em particular em climas mediterrânicos como é o caso de Portugal [2]. Deste modo, justificam-se estudos mais aprofundados neste justificam-sentido, como o dejustificam-senvolvido no prejustificam-sente trabalho.
O presente trabalho baseia-se num modelo de simulação energética desenvolvido e validado experimentalmente para um caso de estudo em Lisboa, Portugal e descrito em pormenor em [8]. Numa primeira fase, foi efectuada uma análise de sensibilidade do modelo num compartimento com a totalidade da envolvente térmica adiabática excepto a cobertura verde. Numa segunda fase, investigaram-se as poupanças de energia do sistema de climatização das três tipologias de coberturas verdes (extensiva, semi-intensiva e intensiva) relativamente a uma cobertura escura e uma cobertura clara e considerando diferentes níveis de isolamento térmico da cobertura.
2. CARACTERIZAÇÃO DO CASO DE ESTUDO E MODELO DE SIMULAÇÃO
Neste trabalho adotou-se como caso de estudo uma cabine técnica de som na Fundação Calouste Gulbenkian em Lisboa, que apresenta uma grande extensão de cobertura verde no edifício principal (Figuras 1 e 2).
Figura 1: Orientação e localização da Cabine de Som na Fundação Calouste Gulbenkian
Figura 2 – Vista do exterior da cabine de som
Na Figura 3 apresenta-se a planta e um corte detalhado da cabine de som, que inclui todas as medidas e materiais relevantes.
Figura 3: Planta e corte AB da cabine de som
As simulações energéticas foram realizadas no programa EnergyPlus 8.1.0 (2013) que permite a modelação energética de edifícios e que já dispõe de um modelo específico para o cálculo do balanço energético de coberturas verdes que permite avaliar a contribuição dos vários componentes de uma cobertura verde, como por exemplo a espessura do solo e as características da vegetação [9].
O modelo da cabine de som consiste numa “caixa” com uma área total de 17,2 m2, com a cobertura dividida em 9 partes correspondentes a zonas da laje com viga e sem viga. A porta exterior da cabine foi considerada sempre fechada, e como é constituída pelo mesmo material das paredes da envolvente, não existiu a necessidade de modelar este elemento. Para a caraterização da inércia térmica foi acrescentado ao modelo a massa das paredes divisórias dos 3 pequenos gabinetes da cabine de som. Este compartimento encontra-se no centro do edifício rodeado por salas de conferências e por um corredor, todos associados ao mesmo sistema de climatização. Assim, a modelação da cabine de som adopta todas as envolventes adiabáticas (incluindo o pavimento) excepto a cobertura verde em análise. Definiu-se o pé direito, de 3,5 m, já que o tecto falso não apresenta qualquer resistência térmica. Esta opção é validada pelos resultados experimentais de Valadas [10], que mostram valores praticamente idênticos entre a temperatura interior do tecto falso e a temperatura interior da cabine de som.
As características de todos os materiais constituintes dos elementos da envolvente da cabine de som estão definidas no trabalho de Valadas [10]. A cobertura verde sobre a cabine de som é do tipo extensiva com relva, como se verifica na Tabela 1 que define as caraterísticas da vegetação e do solo.
Tabela 1: Características da vegetação e do solo da cobertura verde da cabine de som
Cobertura verde de Referência – Cabine de Som
Vegetação
Altura das Plantas (m) 0,10
Cobertura ajardinada sobre a cabine de som LAI (Índice de área de folhas) 2
Refletividade da folha 0,25 Emissividade da folha 0,95 Mínima Resistência Estomática (s/m) 180
Solo
Rugosidade Rugoso
Espessura (m) 0,25
Condutibilidade do solo seco (w/(m.ºC)) 1,0 Massa volúmica do solo seco (kg/m3) 1500 Calor especifico do solo seco (J/(kg.ºC)) 1900
Absorptância térmica 0,9
Absorptância Solar 0,8
Absorptância Visível 0,8
Teor de humidade de saturação 0,3 Teor de humidade residual 0,01
Teor de humidade inicial 0,1 Método de cálculo da difusão da humidade Avançado
O horário de ocupação da Gulbenkian coincide com o horário de funcionamento do ar-condicionado, estando aberto todos os dias (365 dias por ano) das 9:00 às 20:00. As temperaturas de controlo do sistema de climatização são 20ºC e 25ºC para a estação de aquecimento e arrefecimento, respetivamente. Quanto à rega, apenas se obteve informação relativa aos horários: Segundas, Quartas e Sextas em dois períodos de meia hora, com início às 10 e às 14 horas. Como não foi possível obter informação relativa à altura de água de rega por unidade de tempo, adoptou-se o valor recomendado por Cudell [15], de 6mm/dia na zona de Lisboa, estando ativa sempre que a humidade do solo é inferior a 40% da humidade de saturação (valor sugerido por Sailor [9]).
Relativamente aos ganhos internos associados à iluminação, metabolismo das pessoas e outros equipamentos da cabine de som, foram considerados 7 W/m2 durante o horário de ocupação da Gulbenkian [16]. Quanto à ventilação, foi considerado um valor de caudal de ar novo de 3 m3/(h m2), considerando que as atividades não envolvem emissão de poluentes específicos [17].
3. INFLUÊNCIA DA TIPOLOGIA DE COBERTURA VERDE NO DESEMPENHO ENERGÉTICO DE EDIFÍCIOS
Na Tabela 2 apresentam-se três coberturas que pretendem representar as três principais tipologias de coberturas verdes: extensiva, intensiva e semi-intensiva. Estas tipologias correspondem a valores específicos de LAI, altura das plantas e espessura do solo. Todos os restantes valores do modelo de Sailor [9] são adotados iguais à cobertura verde de real existente na Gulbenkian (Tabela 1).
Os consumos de energia para as três tipologias de coberturas verdes apresentam-se na Tabela 3. Considerou-se que os sistemas de climatização para aquecimento e arrefecimento eram unidades split com permuta ar-ar de classe B com COP=3.40 e EER=3.00 [17]. Uma vez que os equipamentos não têm o mesmo rendimento para aquecimento e arrefecimento, apresenta-se a energia total na forma de energia final, calculada em função das energias úteis de aquecimento e arrefecimento e dos respetivos rendimentos dos equipamentos.
A Figura 4 apresenta a quantidade de água libertada pelo processo de evapotranspiração (mm) para o caso da cabine de som. A evapotranspiração depende da radiação solar, da água existente no solo e da densidade e altura da vegetação, como mostram os resultados da Figura 4.
Relativamente aos consumos de energia na estação de aquecimento, as três tipologias apresentam um desempenho energético similar, mas por razões diferentes. A cobertura extensiva absorve maior radiação solar já que a vegetação causa pouco sombreamento enquanto as coberturas semi-intensiva e intensiva apresentam maiores níveis de evapotranspiração e sombreamento, logo mais arrefecimento passivo. Contudo, como estas últimas apresentam valores de espessura do solo mais elevados do que a cobertura extensiva, conferem um isolamento térmico superior, o que permite equilibrar as trocas de calor, resultando em consumos de energia idênticos.
Tabela 2: Características das 3 tipologias de coberturas analisadas.
Tipologia Parâmetros específicos Parâmetros gerais
Cobertura verde extensiva
Vegetação Altura das Plantas (m) 0,05 Planta
Refletividade da folha 0,25 Emissividade da folha 0,95 Mínima Resistência Estomática (s/m) 180
Solo
Rugosidade Rugoso
Condutibilidade do solo seco (W/(m.ºC)) 1,0 Massa volúmica do solo seco (kg/m3) 1500 Calor especifico do solo seco (J/(kg.ºC)) 1900 Absorptância térmica 0,9
Absorptância Solar 0,8
Absorptância Visível 0,8 Teor de humidade de saturação 0,3 Teor de humidade residual 0,01
Teor de humidade inicial 0,1 Método de cálculo da difusão da
humidade
Avançad o Rega 6 mm/dia (ativa todo o ano quando a humidade de
saturação do solo <= 40%) LAI 1 Solo Espessura (m) 0,1 Cobertura verde semi-intensiva Vegetação
Altura das Plantas (m) 0,5
LAI 2,5
Solo Espessura (m) 0,35
Cobertura verde intensiva
Vegetação
Altura das Plantas (m) 1,0
LAI 5
Solo Espessura (m) 0,7
Tabela 3: Consumos de energia para os vários tipos de coberturas verdes
Tipologia de cobertura
verde
Consumo anual de energia (kWh/ano) Aque. Arrefe. Total Extensiva 301,5 950,4 405,5
Semi-intensiva 333,2 339,6 211,2 Intensiva 298,2 162,2 141,8
Figura 4: Quantidade de água média diária libertada por evapotranspiração das três tipologias de coberturas verdes
Na estação de arrefecimento são notadas as diferenças entre os tipos de vegetação definidos para cada tipologia de cobertura verde. Quanto mais densa a vegetação (maior LAI) e maior altura das plantas, menor é o consumo energético, pelo maior efeito de sombreamento e evapotranspiração que arrefece e estabiliza a temperatura na zona da folhagem. Como se verifica pela Figura 4, a evapotranspiração é significativamente diferente na cobertura extensiva e nas coberturas semi-intensiva e intensiva. O nível de evapotranspiração entre a cobertura semi-intensiva e a cobertura intensiva é similar, sendo na cobertura intensiva sempre superior, principalmente nos dias de maior radiação solar. Quanto à cobertura intensiva, salienta-se ainda que o incremento da evapotranspiração e sombreamento prevalece relativamente ao incremento da espessura do solo, que dificulta o efeito de arrefecimento, resultando num consumo energético inferior comparativamente com a cobertura semi-intensiva.
Em termos totais, a cobertura semi-intensiva e intensiva apresentam valores significativamente mais reduzidos enquanto a cobertura extensiva apresenta cerca do dobro da energia necessária para climatizar o espaço. A melhor solução em termos energéticos é a cobertura verde intensiva com 141,8 kWh/ano.
De salientar ainda que as diferenças acentuadas observadas nos consumos energéticos da cabine de som para os três tipos de coberturas verdes, devem-se ao fato de este estudo incidir sobre um compartimento totalmente adiabático com trocas de calor apenas pela cobertura e pela cobertura não possuir isolamento térmico, sendo assim mais notória qualquer alteração neste elemento.
4. COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO ENERGÉTICO DE COBERTURAS VERDES COM OUTRAS SOLUÇÕES CONVENCIONAIS DE COBERTURA
Em Portugal, as coberturas dos edifícios são maioritariamente não acessíveis e finalizadas com membranas de impermeabilização impregnadas. Deste modo, torna-se pertinente comparar o desempenho dos três tipos de coberturas
verdes (extensiva, semi-intensiva e intensiva) com coberturas convencionais. Para efetuar esta comparação, escolheram-se, simplificadamente, soluções de cobertura convencionais com composição idêntica à cobertura da cabine de som e considerou-se apenas a substituição do substrato e da vegetação por uma membrana betuminosa, de cor escura ou de cor clara. As soluções de membrana betuminosa escura e clara representam respectivamente coberturas com reflectância baixa e elevada. Esta escolha segue estudos internacionais que revelam maiores poupanças energéticas para coberturas claras (com albedo elevados) [4, 13, 18]. Além disso, pretende avaliar a potencialidade de redução de consumos energéticos face a coberturas escuras, que são as dominantes em Portugal.
As características das membranas de impermeabilização claras e escuras comuns em soluções convencionais diferem apenas na absortância solar e térmica tendo-se adoptado as seguintes propriedades disponíveis em documentos técnicos: membranas betuminosas de 5 mm, moderadamente lisas, com condutibilidade térmica de 0.23 W/mºC, massa volúmica de 1050 kg/m3, calor específico de 1510 J/kgºC, absortância térmica de 0.90 e absortâncias solar e visível de 0.80 e 0.40 para impermeabilizações escura e clara, respectivamente.
Na Figura 5 apresentam-se os consumos de energia da cabine de som com as três coberturas verdes e as duas coberturas convencionais.
Figura 5 – Consumo de energia para as diferentes soluções de coberturas para a cabine de som
As coberturas convencionais apresentam consumos energéticos totais significativamente maiores do que os das soluções de coberturas intensiva e semi-intensiva e próximos aos da cobertura extensiva. Na estação de aquecimento a cobertura escura é mais vantajosa relativamente à cobertura clara, devido ao seu reduzido albedo que absorve grande parte da radiação solar, contribuindo para ganhos de calor. Pelo contrário, na estação de arrefecimento esta caraterística da cobertura escura é desfavorável.
Os consumos energéticos totais obtidos com as coberturas convencionais nesta primeira análise são particularmente elevados devido à solução de referência da cobertura da cabine de som não ter isolamento térmico. Nesta situação, qualquer uma das soluções de cobertura verde apresentam maior resistência térmica devido ao substrato e à vegetação. Para avaliar a influência do isolamento térmico no desempenho energético de coberturas verdes, foi modelado o mesmo caso de estudo com as três coberturas verdes (extensiva, intensiva e semi-intensiva) e com as duas coberturas convencionais (clara e escura) mas fazendo variar a espessura do isolamento térmico, desde uma situação sem isolamento térmico até uma situação com 8 cm de XPS. A situação sem isolamento térmico corresponde à situação já analisada e permite avaliar o potencial de redução do consumo energético em edifícios mais antigos quando reabilitados com a introdução de coberturas verdes.
A Figura 6 e Tabela 5 representam as poupanças de energia das soluções de coberturas verde relativamente à cobertura escura e clara na Cabine de Som para diferentes níveis de isolamento térmico. Estas poupanças energéticas foram calculadas para cada nível de isolamento térmico separadamente.
Verifica-se que um aumento do nível de isolamento térmico diminui os consumos energéticos em todas as soluções de coberturas e que o nível de isolamento térmico da cobertura reduz as poupanças de energia conseguidas com soluções de coberturas verdes. Esta conclusão mostra que os efeitos de sombreamento e evapotranspiração conseguidos com a introdução de vegetação e substrato na cobertura são menos relevantes em coberturas já originalmente termicamente bem isoladas.
Tabela 5: Consumos energéticos de diferentes tipos de coberturas verdes e convencionais para diversos níveis de isolamento térmico
XPS (cm) Aque. Arrefe. T otal Aque. Arrefe. T otal Aque. Arrefe. T otal Aque. Arrefe. T otal Aque. Arrefe. T otal Aque. Arrefe. T otal
0 10,9 31,30 13,64 17,50 55,20 23,55 19,40 19,70 12,27 17,30 9,40 8,22 33,50 59,60 29,72 60,50 13,30 22,23
2 5,80 26,30 10,47 8,70 42,90 16,86 11,90 17,70 9,40 11,60 10,00 6,75 18,00 34,10 16,66 30,30 10,80 12,51
4 3,60 23,40 8,86 5,60 34,70 13,21 8,40 16,20 7,87 8,50 10,50 6,00 12,00 27,60 12,73 19,80 10,90 9,46
8 1,80 20,80 7,46 3,10 27,30 10,01 4,80 15,40 6,55 5,20 11,10 5,23 6,60 22,20 9,34 11,30 11,30 7,09
Consumo Anual de Energia (kWh/ano/m2)
Cobertura verde de
Referência Cobertura verde Extensiva
Cobertura verde Semi-Intensiva Cobertura verde Intensiva Cobertura escura (Albedo=0,2) Cobertura clara (Albedo=0,6)
Figura 6: Poupanças de energia das soluções de coberturas verdes relativamente à cobertura escura e clara na cabine de som
4. CONCLUSÕES
Neste trabalho, foi avaliado o efeito de diferentes tipologias de coberturas verdes no comportamento energético de edifícios em clima Mediterrânico através de um estudo de simulação energética aplicado a um caso de estudo real validado experimentalmente.
Verificou-se que as coberturas verdes intensiva e semi-intensiva apresentam menores consumos energéticos totais do que os das soluções de coberturas extensiva e convencionais (escura e clara). Por outro lado, mostra-se que o nível de isolamento térmico da cobertura reduz as poupanças de energia conseguidas com soluções de coberturas verdes. Na estação de arrefecimento, concluiu-se que o efeito do aumento do isolamento térmico na cobertura sobrepõe-se aos efeitos de evapotranspiração e sombreamento mesmo em coberturas intensivas e que uma cobertura com refletância solar elevada (clara) apresenta geralmente melhores desempenhos energéticos. Estas conclusões estão de acordo com estudos anteriores de [4, 13, 18] e [19, 20], respetivamente.
Na estação de aquecimento, a cobertura verde mostrou-se uma solução eficaz relativamente às duas coberturas convencionais, pois além de isolar mais o edifício (espessura do solo) também estabiliza as temperaturas superficiais exteriores.
Conclui-se que, em termos totais, as coberturas semi-intensivas e intensivas podem ser uma solução para otimizar os consumos de energia de um edifício, em particular para edifícios com baixos níveis de isolamento. Em edifícios mais antigos (reduzido nível de isolamento térmico), sem capacidade estrutural para novas cargas na cobertura, e com coberturas protegidas por materiais de alta absortância, uma cobertura extensiva com um substrato técnico (de reduzida massa volúmica), poderá ser uma solução na redução dos consumos de energia do edifício.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a colaboração da Fundação Calouste Gulbenkian durante o desenvolvimento deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS
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