Comparação de ferramentas de simulação térmica para o cálculo dos índices subjacentes à certificação nos edifícios de comércio e serviços

2015

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA

Comparação de ferramentas de simulação térmica para o

cálculo dos índices subjacentes à certificação energética nos

edifícios de comércio e serviços

Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Eficiência energética em edifíciosl

Jorge André Sousa Seabra

Dissertação orientada por:

Dra. Marta Panão FCUL

Since December of 2013, selling or renting a real estate is only possible if it has an Energy Performance Certificate. This sudden imposition, forced the real estate agencies and private owners to make a significant effort to obtain these certificates, which induced in an increase in the demand for the services provided by the Experts of this technical field.

The certification of Small Buildings of Services and/or Commerce, known as PES in Portuguese, is more complex than housing, ergo, it was necessary to search for modelling tools that could make the certification process simpler, while still presenting reliable results in the case of multizone buildings. This master thesis compares two models for the energy categorization of a services building: The STE-Monozona and the HAP, to find out if is possible to use the simplified method of dynamic modelling to certificate a multizone building.

The study begins with a bibliographic review of the energetic regulations, the certifications process and the modelling methods used in this dissertation. The next topic is about the study-case characterization and the simulation process, finishing this document with the analysis of the results from the simulations.

The results obtained and showed in this report suggest that it is possible to determine the energetic class of a PES using the STE-Monozona (simplified dynamic method). However, due to the simplicity of the calculous methodology, this method should not be used to identify improvement measures because the heating and cooling loads calculated through this method are not the real values.

Em Dezembro de 2013, a venda ou o arrendamento de um imóvel só passou a ser possível se este estivesse devidamente certificado a nível de desempenho energético. Esta imposição repentina obrigou a um grande esforço das imobiliárias e dos proprietários particulares para a obtenção destes mesmos certificados o que forçou também a uma maior capacidade de resposta por parte dos peritos qualificados para proceder a certificação energética.

Ao nível dos pequenos edifícios de comércio e serviços, PES, onde a certificação é um pouco mais complexa que edifícios de habitação, surgiu a necessidade de recorrer a ferramentas que simplificassem o processo de certificação energética, apresentando um resultado fidedigno mesmo tratando-se de um edifício multizona.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo comparar dois métodos de cálculo dos índices subjacentes à certificação energética recorrendo a duas ferramentas de simulação: O STE-Monozona e o HAP, a fim de perceber se é possível recorrer ao método de cálculo dinâmico simplificado para certificar um edifício de comércio e serviços do tipo multizona.

O presente estudo inicia-se com uma revisão bibliográfica dos regulamentos energéticos, do processo de certificação e dos programas de simulação dinâmica simplificada e detalhada utilizados. Segue-se a caracterização do caso de estudo e o processo de simulação do mesmo, finalizando com a análise de resultados.

A comparação dos resultados obtidos pelos dois métodos, quando aplicados ao caso de estudo utilizado nesta dissertação, sugere que é possível identificar a classe energética de um Pequeno Edifício de Comércio e Serviços com múltiplas zonas térmicas recorrendo à ferramenta STE-Monozona. No entanto, não permite uma correta identificação de medidas de melhoria porque não garante uma correta identificação das medidas de melhoria, já que não apresenta valores reais de necessidades térmicas para aquecimento e arrefecimento.

Palavras-chave:

Este documento simboliza o fim de uma longa e atribulada jornada. Foi sem sombra de dúvida, o meu maior desafio pessoal e é com um enorme misto de sensações que escrevo estas palavras.

Gostaria de agradecer à Doutora Professora Marta Panão, primeiro por se ter disponibilizado prontamente em auxiliar-me neste tema e depois, por ter sido bastante compreensiva e assertiva ao longo de todo o processo de desenvolvimento desta dissertação

Gostaria também de agradecer à Engenheira Mestre Sara Ramos por me ter dado a oportunidade de desenvolver este tema na sua empresa e por ter assegurado todas as condições para o desenvolvimento do mesmo.

Tendo sido uma jornada bem longa, muitos nomes deveriam ser aqui mencionados em forma de agradecimento por todo o apoio e motivação que me deram ao longo do processo, a todos os meus amigos, dentro e fora de Portugal, o meu mais sincero obrigado por tudo.

Gostaria finalmente de agradecer a toda a minha família pelo amor incondicional e pela confiança que depositaram e continuam a depositar na minha pessoa.

Não havendo palavras para descrever tudo o que vocês, meus pais, significam para mim, esta dissertação é o culminar de um dos vossos projetos de vida. Obrigado pela dedicação e por não desistirem deste meu (vosso) sonho.

Índice

2.1 Legislação e Regulamentação Energética ... 3

2.2 Eficiência Energética em Edifícios ... 6

2.3 O setor energético de edifícios em Portugal ... 7

2.4 RECS ... 7

2.5 Indicador e Classificação de Eficiência Energética ... 8

2.6 Metodologias de Cálculo Dinâmico ... 12

2.6.1 Simulação Dinâmica Simplificada (Monozona) ... 12

2.6.2 Simulação Dinâmica Detalhada (Multizona) ... 14

3. Programas de Simulação Utilizados ... 16

3.1 STE-MONOZONA ... 16 3.2 HAP ... 17 4. Caso de Estudo ... 18 4.1 Caracterização do Edifício ... 18 4.2 Zona Climática ... 19 4.3 Enquadramento Regulamentar ... 21

4.4 Caracterização dos elementos da envolvente ... 21

4.4.3 Coberturas ... 22

4.4.4 Pavimentos ... 22

4.4.5 Inércia Térmica ... 22

4.4.6 Vãos envidraçados... 23

4.4.7 Correção de Pontes Térmicas ... 25

4.5 Sistemas de Climatização ... 26

4.6 Caracterização do Edifício de Referência ... 26

5. Simulação ... 27

5.1 Simulação STE – Monozona ... 27

5.2 Simulação HAP ... 28

5.3 Caracterização de espaços úteis/zonas térmicas ... 28

5.4 Ocupação ... 29

5.5 Iluminação ... 30

5.6 Equipamento ... 31

5.7 Envolventes ... 31

5.8 Ventilação e caudais de ar novo ... 31

5.9 Climatização ... 33

5.10 Águas Quentes Sanitárias ... 33

5.11 Edifício de Referência ... 35 5.12 Perfis de Utilização ... 37 6. Resultados e Análise ... 38 6.1 Cálculo do IEE ... 38 6.2 STE – Monozona ... 38 6.3 HAP ... 39 6.4 Análise ... 40 6.5 Outros resultados ... 41 7. Conclusões ... 47

Índice de Figuras

Figura 1 - Consumo de energia na União Europeia por Setor de Atividade – 2010 ... 6

Figura 2 - Evolução do consumo de energia primária por setor até 2013 (32) ... 7

Figura 3 - Residencial de Santo André ... 18

Figura 4 - Distância do edifício à costa em km ... 20

Figura 5 - Identificação das envolventes da Residencial de Santo André, R/C ... 21

Figura 6 - Ângulo de horizonte α ... 24

Figura 7 - Zonas térmicas ... 29

Figura 8 - Fração de zonas com a mesma atividade. ... 37

Figura 9 - Consumo de energia anual associado à iluminação interior e ao uso de equipamentos ... 42

Figura 10 – Resultados em situação real ... 43

Figura 11 – Resultados para a situação de referência ... 44

Índice Tabelas

Tabela 2 - Condições a respeitar no cálculo dinâmico simplificado... 12

Tabela 3 - Soluções de referência a considerar na determinação do IEEref... 13

Tabela 4 - Elementos mínimos a ter em conta no levantamento e caracterização do edifício para efeitos de cálculo do IEE através do método de simulação dinâmica multizona ... 14

Tabela 5 - Condições a respeitar no cálculo dinâmico detalhado ... 15

Tabela 6 - Critérios para a determinação da zona climática de inverno ... 19

Tabela 7 - Critérios para a determinação da zona climática de verão ... 19

Tabela 8 - Valores de referência e declives de ajuste função da altitude para a estação de aquecimento ... 19

Tabela 10 - Classes de inércia térmica interior, It ... 23

Tabela 11 - Regras de simplificação aplicáveis à quantificação da inércia térmica interior ... 23

Tabela 12 - Valores dos fatores de sombreamento de elementos horizontais F0 na estação de arrefecimento ... 25

Tabela 13 - Valores dos fatores de sombreamento de elementos horizontais F0 na estação de aquecimento ... 25

Tabela 14 - Iluminação Instalada por zona térmica ... 30

Tabela 15 - Potência total instalada por zona térmica ... 31

Tabela 16 - Coeficientes de transmissão térmica da envolvente... 31

Os valores dos caudais de infiltração de ar foram estipulados recorrendo ao método prescritivo previsto pela Portaria 353-A/2013 presente no DL_118/2013 consoante o tipo de atividade em cada zona térmica.Tabela 17 - Caudais de infiltração de ar novo por zona térmica resultantes do método prescritivo. ... 31

Tabela 18 - Caudais de infiltração de ar novo por zona térmica resultantes do método prescritivo. ... 32

Tabela 19 - Características técnicas da bomba de calor reversível CIATESA IWB 195 ... 33

Tabela 20 - Necessidades de AQS por zona térmica ... 34

Tabela 21 - Coeficientes de transmissividade térmica, valores de referência ... 35

Tabela 22 - Iluminação do edifício de referência... 36

Tabela 23 - Resultado final da Classificação Energética do STE-Monozona ... 39

Tabela 24 - Resultado final da Classificação Energética do STE-Monozona tratando o edifício como uma única zona térmica ... 39

Tabela 25 - Resultado final da Classificação Energética do HAP ... 39

Tabela 26 - Resultados de ocupação e necessidades de AQS ... 40

ADENE Agência para a Energia Ap Área interior útil de pavimento APA Agência Portuguesa do Ambiente AQS Águas Quentes Sanitárias

AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado CEE Comunidade Económica Europeia

CO2 Dióxido de Carbono

COP Coeficiente de performance

DGEG Direção Geral de Energia e Geologia

DL Decreto-Lei

DPI Densidade de Potência de Iluminação

Em Iluminância média

EN European Standards

EER Eficiência Energética de Refrigeração FCI Fator de Correção de Inverno

FCV Fator de Correção de Verão

GD Graus dia

GEE Gases Efeito Estufa

GES Grandes Edifícios de Comércio e Serviços

HAP Hourly Analysis Program

IEE Indicador de Eficiência Energética

IEEnom Indicador de Eficiência Energética Nominal

IEEpr Indicador de Eficiência Energética Previsto

IEEreal Indicador de Eficiência Energética Real

IEEren Indicador de Eficiência Energética renovável

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil LNEG Laboratório Nacional de Energia e Geologia Mtep Mega tonelada equivalente de petróleo

NZEB Nearly zero energy building (Edifício com necessidades quase nulas de energia)

NUTS Nomenclatura das Unidade Territoriais para Fins Estatísticos

PD Pé Direito

PDm Pé Direito Médio

PES Pequeno Edifício de Comércio e Serviços PQ Perito Qualificado

PRE Plano de Racionalização Energética PTL Ponte Térmica Linear

PTP Ponte Térmica Plana QAI Qualidade do Ar Interior

RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RECS Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços REH Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação

RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios

SCE Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios

STE Simulação Térmica de Edifícios Tep Tonelada Equivalente de Petróleo

TRF Técnico Responsável pelo Bom Funcionamento dos Sistemas Energéticos de Climatização

TIM Técnico de Instalação e Manutenção T8 Lâmpada Tubular Fluorescente

UE União Europeia

UPS Uninterruptible Power Supply

1. Introdução

1.1 Enquadramento e Motivação

Segundo o portal da União Europeia, em 2010, 40% do consumo de energia final na Europa estava associado ao setor dos edifícios. Para reduzir esta parcela foi necessário tomar medidas de eficiência energética para que os países da União Europeia conseguissem cumprir o compromisso assumido no âmbito do Protocolo de Quioto: Reduzir o consumo energético em 50%, até 2020 representando uma redução anual de 400 milhões de toneladas de CO2 (1).

Para ultrapassar este desafio surge a 16 de Dezembro de 2002 a Diretiva nº 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, relativa ao desempenho energético dos edifícios (EPBD em sigla inglesa) onde são definidos requisitos importantes para este setor tais como (5):

1. Implementação de um sistema de certificação energética com o propósito de informar o cidadão acerca da qualidade térmica dos edifícios, aquando da construção, da venda ou do arrendamento dos mesmos, exigindo ainda que o sistema de certificação englobe todos os grandes edifícios públicos ou frequentemente visitados pelo público;

2. Obrigatoriedade de verificar periodicamente os consumos reais dos edifícios existentes de maior dimensão de utilização pública e publicar o respetivo certificado de forma visível para todos os usuários desse edifício.

Em 2010 foi efetuada uma revisão, a Diretiva 2010/31/CE onde foram formulados novos desafios, sendo um deles o Certificado Energético, estando a atribuição destes certificados em Portugal a cargo da ADENE (1). O Sistema de Certificação Energética, SCE, constituí uma das bases sobre as quais foi elaborada a nova legislação sobre a eficiência energética dos edifícios em Portugal. Este sistema transpõe para a legislação portuguesa a Diretiva citada acima acerca do Desempenho Energético dos Edifícios, através do Decreto-Lei nº 78, 79 e 80/2006 de 4 de Abril.

Com a emissão de um Certificado para um edifício ou fração autónoma residencial/serviços, pretende-se:

 Uniformizar a classificação de desempenho energético para os edifícios, usando a nomenclatura das classes energéticas já aplicáveis a outros equipamentos;

 Identificar medidas de melhoria de desempenho energético;

 Reduzir os consumos de energia nos edifícios e consequente redução de emissões de CO2.

Em 2013, foi publicado o Decreto-Lei nº 118/2013 que inclui o SCE é efetuado segundo dois regulamentos: o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS). Estes regulamentos são verificados ao longo do tempo

de vida de um edifício por peritos qualificados. A emissão de certificados é feita através da ADENE, e a supervisão é da responsabilidade da Direção Geral de Geologia e Energia e do Instituto do Ambiente.

A necessidade de separar os edifícios de habitação dos de comércio e serviços surge devido às diferentes especificidades técnicas que são necessárias avaliar para além das consideradas quando se trata de um edifício ou fração de habitação. Para além das especificidades técnicas associadas, o processo de certificação de um pequeno edifício de comércio e serviços (PES) tem sido alvo de alguma controvérsia devido ao facto de a Portaria 349-D/2013 autorizar a determinação da classe energética deste tipo de edifícios através dos métodos de cálculo dinâmico simplificado (monozona) e detalhado (multizona). A controvérsia está relacionada com a possibilidade de alargar a aplicação do cálculo dinâmico simplificado à simulação de um conjunto de zonas térmicas, ao contrário do que é sugerido pelo Decreto-Lei nº 118/2013, simplificando a totalidade do PES a uma única zona térmica, o que suscita incertezas quanto à consideração das trocas térmicas entre os diferentes espaços interiores e à falta de rigor nos perfis de utilização associados a cada espaço, entre outros (8).

Esta dissertação tem por objetivo comparar o cálculo dinâmico com a simulação dinâmica multizona usando ambas as metodologias num mesmo edifício a fim de verificar a fiabilidade do uso das mesmas.

1.2 Metodologia

Para a elaboração da presente dissertação foi seguida a metodologia utilizada no processo de certificação energética de edifícios.

O processo inicia-se então com a recolha dos documentos, necessários para obter informação acerca do edifício e da fração que está a ser certificada, tais como a Caderneta Predial Urbana, o Registo Predial, as plantas de construção, fichas técnicas de vãos envidraçados e opacos, paredes, pavimentos, coberturas, entre outros, informação acerca dos perfis de utilização.

A segunda etapa corresponde ao levantamento, in situ, de dados da envolvente e dos sistemas técnicos, nomeadamente: áreas, pés direitos, espessura das envolventes opacas, tipos de vãos envidraçados e respetivas áreas, verificação da existência de proteções solares, tipo de iluminação, eficiência dos sistemas de climatização e de aquecimento de águas quentes sanitárias.

Após reunida toda a informação, segue-se a terceira fase onde é efetuada uma simulação do consumo de energia anual em condições reais de utilização que é comparada com uma simulação do consumo de energia anual em condições de referência definidas pelo RECS segundo os índices definidos pela legislação em vigor. Esta comparação é a que determina a que determina a classe energética do edifício em estudo.

Após terminada a avaliação dos indicadores e identificada a classe energética do edifício, incluem-se no estudo algumas medidas que podem ser aplicadas com intuito de melhorar o desempenho energético do edifício.

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Legislação e Regulamentação Energética

Nos anos 70, verificou-se um aumento anormal no consumo de energia por parte dos países da União Europeia, levando a que o órgão máximo da UE implementasse normas de forma a fomentar a utilização dos recursos energéticos disponíveis de forma racional e eficiente. Foi então publicada a Diretiva 79/530/CEE que obrigava a que todos os aparelhos domésticos fossem devidamente rotulados para responsabilizar o consumidor pelo uso da energia, uma vez que, através da informação disponibilizada pelas novas etiquetas, o consumidor pode comparar as características entre diferentes aparelhos fazendo assim a escolha que melhor se adequa às suas necessidades (3).

A 6 de Fevereiro de 1990, Portugal deu um importantíssimo passo em direção a uma construção mais sustentável publicando o Decreto-Lei n.º 40/90. Este decreto, designado por Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios, RCCTE, foi criado com base na experiência adquirida noutros países durante 15 anos, acerca da conservação de energia e a utilização racional da energia nos edifícios. Apesar da fração de energia consumida pelo setor dos edifícios não ser alarmante, esta iniciativa por parte do governo Português teve como objetivo promover uma política de consumo racional de energia através da qualidade da construção e tirando partido das condições climáticas do seu território (4).

Como forma de responsabilizar cada vez mais o consumidor pelo seu consumo energético, foi lançada em 1992 a Diretiva 91/75/CEE onde se apelava à redução da poluição ambiental através de uma rotulagem mais detalhada de todos os aparelhos e, em 1994, Portugal avançou com um novo Decreto-Lei, o DL 41/94 que se centrava na utilização racional de energia. Desta forma, a partir da sua publicação, passou a ser obrigatória a disponibilização da informação relativa ao consumo específico de energia de cada aparelho doméstico, de forma rigorosa, adequada e facilmente comparável, proporcionando uma maior facilidade de escolha por parte do consumidor (2).

Ainda em 1994, foi publicado o Decreto-Lei 156/94, referente ao Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE), o primeiro regulamento do género em Portugal. O objetivo era introduzir medidas de racionalização, impondo limites à potência máxima dos sistemas a instalar num edifício para evitar, principalmente, o seu sobredimensionamento, algo que, segundo o que se verificava no mercado, acontecia recorrentemente. Deste regulamento resultaria uma maior eficiência energética e uma redução de custos nos investimentos associados ao sobredimensionamento de sistemas. No entanto, o RSECE demonstrou ser um insucesso devido à inexistência de conformidade, resultando em discrepâncias entre o desempenho das instalações e o respetivo projeto de instalação.

Em 2003, a União Europeia tomou a decisão de impor aos Estados-Membros que estes passassem a atualizar periodicamente os seus regulamentos de forma a atingirem uma redução progressiva dos consumos energéticos

dos edifícios novos e reabilitados, através de opções técnicas e económicas mais viáveis. Esta Diretiva 2002/91/CE estipula ainda a obrigatoriedade de um controlo periódico dos consumos reais dos edifícios de serviços bem como a publicação dessa informação junto do público que os frequenta, afixando um certificado energético num local bem visível à entrada do edifício.

O ano de 2006 foi o ano de algumas mudanças no campo dos edifícios e da eficiência energética. Por um lado, Portugal implementou a Diretiva 2002/91/CE, substituindo os Decretos-Lei n.º40/90 e n.º156/94, pelo Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios (SCE), regulamentado pelos DLs 78, 79 e 80/2006.

O DL 78/2006 teve como objetivo informar o cidadão sobre a qualidade térmica dos edifícios, aquando da construção, da venda ou do arrendamento dos mesmos, exigindo também que o sistema de certificação abrangesse igualmente todos os grandes edifícios públicos e edifícios frequentemente visitados pelo público. De forma a garantir o sucesso deste decreto foi necessário diferenciar os tipos de edifícios e, assim, foi criado o RSECE e atualizado o RCCTE (9).

O RSECE visava regulamentar edifícios não residenciais que possuíssem uma área que excedesse os 1000 m2 _no

caso de grandes edifícios existentes, ou superior a 500 m2 _{se se tratasse de supermercados, hipermercados,}

piscinas cobertas ou centros comerciais. Para além disto, este regulamento passou a abranger também todos os grandes e pequenos edifícios de comércio e serviços, bem como residenciais na sua fase de licenciamento, se estes apresentassem uma potência térmica instalada igual ou superior a 25kW (para arrefecimento ou aquecimento) (10).

O RCCTE visava regulamentar os edifícios de habitação ou os restantes edifícios de comércio e serviços cujas áreas fossem inferiores às abrangidas pelo RSECE (acima mencionado), sem sistemas de climatização, ou com sistemas de climatização com uma potência instalada inferior aos 25 kW (10).

O SCE, para além de certificar o desempenho energético e a qualidade de ar interior nos edifícios, tem também como finalidade identificar medidas de correção ou de melhoria de desempenho que possam ser implementadas aos edifícios e respetivos sistemas energéticos de forma a torná-los mais eficientes.

As entidades responsáveis pela prática do SCE são a Agência Portuguesa do Ambiente (APA), a Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e a Agência para a Energia (ADENE). Em termos de funções, a DGEG e a APA são responsáveis pela supervisão do SCE, enquanto a ADENE é responsável pela gestão do SCE, nomeadamente, modelos dos certificados, supervisão e formação dos peritos qualificados e gestão das bolsas para os mesmos peritos.

Como previsto em 1994 e descrito no DL 156/94, o número de sistemas de climatização nos setores de serviços e habitação aumentou devido ao desenvolvimento económico do país. Desta forma, entre 1994 e 2006, o setor de edifícios foi o que mais cresceu em termos de consumo energético, crescimento esse que alcançou um valor médio de 12% por ano, principalmente no subsetor dos edifícios destinados a comércio e serviços.

No entanto, é importante frisar que apesar do aumento notório na instalação de sistemas de climatização, a construção da maioria desses mesmos edifícios não respeitava os requisitos mínimos de renovação de ar novo. O DL 79/2006 teve por objetivo regulamentar as condições de conforto térmico e qualidade do ar interior tendo em conta as diferentes tipologias e funções dos edifícios de comércio e serviços, em harmonia com as normas nacionais e internacionais estipuladas pela Organização Mundial de Saúde (6).

O âmbito de aplicação do RCCTE do DL 80/2006 passou as grandes intervenções em edifícios, para além dos edifícios novos, com o intuito de satisfazer as condições de conforto térmico sem excessivo uso de energia, quer no Inverno quer no Verão, tendo em conta as necessidades energéticas de cada região do país. O RCCTE tinha também como objetivo minimizar os problemas de condensação superficial verificados no interior dos elementos da envolvente devido à fraca qualidade térmica dos materiais de construção, nomeadamente a exigência da correção das pontes térmicas planas. Passou também a obrigar à implementação de energias renováveis, sendo aplicada principalmente no aquecimento de águas quentes sanitárias com recurso a coletores solares térmicos (7). Do âmbito do RCCTE estavam excluídos edifícios que permanecessem constantemente abertos e em contacto com o exterior e edifícios para fins industriais, de culto, militares, sistemas de informação, ou forças de segurança sujeitos a regras de controlo e confidencialidade, ou edifícios situados em zonas históricas ou edifícios classificados.

Com as metas estabelecidas no programa Horizonte 2020, Portugal viu-se forçado a atualizar a Diretiva 2002/91/CE passando a entrar em vigor a Diretiva 2012/31/EU com o objetivo de aumentar a eficiência energética e melhorar a regulamentação de forma a atingir os objetivos definidos para 2020 (19).

O Decreto-Lei 118/2013, que entrou em vigor em 2013, com o intuito de rever e simplificar o processo de certificação energética. Este decreto engloba o Sistema de Certificação Energética (SCE), o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e o Regulamento de Desempenho Energético de Edifícios de Comércio e Serviços (RECS), pondo fim ao RCCTE e ao RSECE.

O DL 118/2013 determina que o desempenho energético dos edifícios de habitação é definido através do comportamento térmico e da eficiência dos sistemas. No caso dos edifícios de comércio e serviços, o desempenho energético centra-se nos mesmo parâmetros que os de habitação e ainda pela utilização e manutenção dos sistemas técnicos. Para cada uma das tipologias, habitação ou comércio e serviços, existem requisitos caso os edifícios sejam novos, sujeitos a grandes intervenções ou já existentes.

Este novo decreto vem reforçar a importância da eficiência energética e do recurso a fontes de energia renovável, destacando o aproveitamento dos recursos solar, abundante em Portugal, e biomassa.

Este DL 118/2013 menciona também um conceito introduzido anteriormente em 2010, o conceito de edifício com necessidades energéticas quase nulas (Nearly Zero Energy Building, NZEB), frisando que este deverá ser definido como padrão para os novos edifícios a partir de 2020, ou de 2018 no caso dos edifícios novos públicos

ocupados por entidades públicas, bem como uma referência para as grandes intervenções no edificado. Este conceito conjuga o abastecimento energético maioritariamente com recurso a fontes renováveis de energia com a redução de uma parcela significativa das necessidades energéticas do edifício (8).

2.2 Eficiência Energética em Edifícios

Segundo o portal da União Europeia, o setor dos edifícios representava, em 2010, cerca de 40% do consumo de energia final da UE, como demonstrado na Figura, sendo o setor com maior consumo energético seguido do setor dos transportes (1).

Figura 1 - Consumo de energia na União Europeia por Setor de Atividade – 2010

Neste mesmo ano (2010) foi apresentada pela Comissão Europeia o “Energia 2020” que definia as prioridades em termos de energia até 2020 e as ações a empreender perante os desafios decorrentes da necessidade de poupar energia, conseguir um mercado competitivo ao nível de preços e aprovisionamento sólido, impulsionar a liderança tecnológica e negociar de forma eficaz com os parceiros internacionais. Esta estratégia centrou-se em cinco frentes: poupança de energia; mercado integrado pan-europeu de energia com infraestruturas; 27 Estados, uma só voz no Mundo para a energia; liderança europeia em tecnologia e inovação tecnológica; energia segura, sem riscos e a bom preço, através de consumidores ativos (19).

Destas cinco estratégias, os edifícios estão diretamente ligados à necessidade de poupança de energia, tendo sido definidas medidas com o propósito de ajudar os proprietários e as entidades locais a financiarem a remodelação e recuperação de imóveis e a poupança de energia.

Uma das medidas definidas pela União Europeia para reduzir a fração de energia utilizada no setor dos edifícios foi a criação dum Sistema de Certificação Energética que verificaria o cumprimento dos requisitos mínimos de desempenho energético.

As Diretivas aplicadas no setor dos edifícios resultaram numa redução de 15,1% dos GEE, ultrapassando em quase o dobro o valor estipulado para o primeiro período das metas do 2020 [4].

2.3 O setor energético de edifícios em Portugal

Portugal sentiu um enorme crescimento no setor dos edifícios, quer nos de habitação, quer nos de comércio e serviços, após a sua entrada na União Europeia, verificando-se um aumento no consumo de energia associado a este setor bem como a um aumento da emissão de dióxido de carbono, como demonstrado pela Figura 2.

Figura 2 - Evolução do consumo de energia primária por setor até 2013 (32)

Apesar desse crescimento, o setor dos edifícios não representa o maior consumo de energia em Portugal, estando essa posição ocupada pelo setor dos transportes.

2.4 RECS

Uma vez que o RCCTE era demasiado direcionado para os edifícios de habitação, surge em 2013 a necessidade de distinguir de forma definitiva o “modus operandi” da certificação destinada às habitações da destinada aos edifícios de comércio e serviços. Surgem assim o REH destinado à habitação e o RECS destinado aos edifícios de comércio e serviços.

 PES – Pequenos Edifícios de Comércio e Serviços;

 GES – Grandes Edifícios de Comércio e Serviços.

Os GES são edifícios cuja área de pavimento útil é superior a 1000 m2 _{ou a 500 m}2 _{caso se trate de um}

supermercado, hipermercado, um centro comercial ou uma piscina coberta.

Os PES, por sua vez, são todos os edifícios não definidos como GES. Dentro desta categoria é possível dividir os edifícios como edifícios do tipo monozona ou do tipo multizona consoante o número de zonas térmicas que possuem.

Entende-se por zona térmica como “o espaço ou conjunto de espaços passíveis de serem considerados em conjunto devido às suas similaridades em termos de perfil de utilização, iluminação e equipamentos, ventilação mecânica e sistema de climatização e, quanto aos espaços climatizados, igualmente devido às similaridades em termos de condições de exposição solar.” (7).

O número de zonas térmicas e a metodologia de cálculo a ser aplicada, num processo de certificação energética, consoante o número definido dessas mesmas zonas causa alguma divergência de opiniões havendo quem defenda que o método de cálculo dinâmico simplificado deva ser somente aplicado quando se trata de uma só zona térmica e a simulação dinâmica multizona caso o edifício em estudo seja representado por mais que uma só zona térmica. No entanto, a possibilidade de calcular cada zona térmica separadamente e depois obter um resultado global é vista com bons olhos por parte de alguns profissionais do setor principalmente no setor empresarial devido a simplicidade do processo e aos custos associados.

2.5 Indicador e Classificação de Eficiência Energética

O Indicador de Eficiência Energética, IEE, é a forma de determinar o desempenho energético de um edifício. No caso dos edifícios de comércio e serviços, este indicador é obtido com base na soma dos vários consumos energéticos, numa base anual, agrupados em indicadores parciais e convertidos para energia primária por unidade de área interior útil de pavimento, como demonstrado na expressão que se segue:

ren T

S

IEE

IEE

IEE

IEE







[kWh

/m

.ano]

(1)

O primeiro indicador parcial que constituí a expressão (1) é o IEES e engloba os consumos de energia que são

efetivamente contabilizados no cálculo da classificação energética do edifício. Este indicador é determinado segundo a expressão (2):

)

.

(

1

E

F

A

IEE





[kWh

/m

.ano]

₍₂₎

Em que:

ES,i – Consumo de energia por fonte de energia i para os usos do tipo S, [kWh/ano]; Ap – Área interior útil de pavimento, [m2_];

Fpu,i – Fator de conversão de energia útil para energia primária que traduz o rendimento global do sistema de

conversão e transporte de energia de origem primária, de acordo com Despacho do Diretor-geral de Energia e Geologia, [kWhEP/kWh].

Os consumos englobados pelo IEES correspondem aos consumos de aquecimento e arrefecimento do ambiente

interior, incluindo humidificação e desumidificação, consumos provenientes da ventilação e bombagem dos sistemas de climatização e iluminação interior.

O IEET diz respeito aos consumos energéticos que não são considerados para determinar a classificação energética do edifício. Este indicador parcial é determinado através da seguinte expressão:

)

.

(

1

E

F

A

IEE





[kWh

/m

.ano]

₍₃₎

ET,i – Consumo de energia por fonte de energia i para os usos do tipo T, [kWh/ano];

Ap – Área interior útil de pavimento, [m2];

Fpu,i – Fator de conversão de energia útil para energia primária que traduz o rendimento global do sistema de conversão e transporte de energia de origem primária, de acordo com Despacho do Diretor-geral de Energia e Geologia, [kWhEP/kWh].

Os consumos energéticos provenientes de ventilação e bombagem de sistemas não associados a climatização do edifício, os consumos associados a equipamentos de frio e a iluminação dedicada ou de uso pontual, bem como iluminação exterior, elevadores e escadas ou tapetes rolantes e todos os restantes equipamentos existentes na zona térmica que não estejam contabilizados no IEES são contabilizados no IEET.

O impacto da utilização de energias de fontes renováveis é contabilizado no indicador IEEren, sendo contabilizada

somente energia elétrica destinada ao autoconsumo e a energia térmica efetivamente utilizada ou passível de ser utilizada no edifício. O valor deste indicador é obtido da seguinte forma:

)

.

(

1

E

F

A

IEE





[kWh

/m

.ano]

₍₄₎

Eren,i – Produção de energia por fonte de energia i proveniente de fontes renováveis para consumo, calculadas segundo as regras aplicáveis previstas para o efeito em Despacho do Diretor-geral de Energia e Geologia [kWh/ano];

Ap – Área interior útil de pavimento, [m2];

Fpu,i – Fator de conversão de energia útil para energia primária que traduz o rendimento global do sistema de conversão e transporte de energia de origem primária, de acordo com Despacho do Diretor-geral de Energia e Geologia, [kWhEP/kWh].

Existem três tipos de indicadores de eficiência energética definidos segundo a Portaria 349-D/2013 do DL 118/2013, sendo eles:

 IEE previsto (IEEpr), que tem como propósito mostrar o consumo anual de energia do edifício com base

na localização do mesmo, nas características da sua envolvente, na eficiência dos sistemas técnicos instalados e nos perfis de utilização previstos para o edifício. Este indicador é composto por três parcelas como demonstrado na expressão que se segue:

REN pr T

pr Spr

pr IEE IEE IEE

IEE  _,  _,  _,

[kWh

/m

.ano]

(5)

 IEE efetivo (IEEef), que traduz o consumo energético anual do edifício, calculado com base no histórico

de faturas energéticas, e/ou baseado numa avaliação energética efetuada numa base anual, assim como mediante dados de um sistema de gestão de energia;

 IEE de referência (IEEref), que tem como objetivo demonstrar o consumo energético anual do edifício, se

este fosse munido de soluções de referência para certos elementos da envolvente e para certos sistemas técnicos, não alterando as características do edifício. Este indicador é então calculado através da expressão:

T ref S

ref

ref IEE IEE

O método de cálculo do IEE através do IEEef não será desenvolvido nesta dissertação por não ter sido utilizado

devido à falta de dados suficientes para a sua execução. Segundo a Tabela I.02 da Portaria 349-D/2013 do DL 118/2013, este método é considerado como o método base para o cálculo da classificação energética num pequeno edifício de comércio e serviços mas a mesma tabela também aceita a simulação dinâmica multizona ou o cálculo dinâmico simplificado como alternativas ao cálculo pelo consumo efetivo.

Nas situações em que um ou mais dos sistemas técnicos do edifício não estejam especificados em projeto ou não estejam instalados em edifícios novos ou existentes, o cálculo do IEEpr deve ser realizado mediante a

consideração, para cada um dos tipos de sistema ausentes ou omissos, as características e soluções indicadas na Tabela I.07, mantendo as demais características dos sistemas instalados ou especificados no projeto.

A Classificação ou Classe energética de um edifício de comércio e serviços é determinada segundo o segundo rácio: , ,S ref REN S IEE IEE IEE IEE R  

₍₇₎

IEES - Indicador de Eficiência Energética, obtido de acordo com o disposto na Tabela 02, consoante o tipo de edifício e se se trata de novo, existente ou sujeito a grande intervenção relativamente aos consumos do tipo S;

IEEREN – Indicador de Eficiência Energética renovável associado à produção de energia elétrica e térmica a partir de fontes de energia renovável;

IEEref,S – Indicador de Eficiência Energética de referência associado aos consumos anuais de energia do tipo S. A letra atribuída a cada classe consoante o valor final do RIEE, está definida segundo a tabela seguinte, retirada do

Despacho nº15793-J/2013 do Decreto-Lei 118/2013:

Tabela 1 - Classe Energética

Classe Energética Valor de RNt

A+ _R Nt < 0,25 A 0,25 < RNt < 0,50 B 0,51 < RNt < 0,75 B- _{0,76 < R} Nt < 1,00 C 1,01 < RNt < 1,50 D 1,51 < RNt < 2,00 E 2,01 < RNt < 2,50 F RNt > 2,51

2.6 Metodologias de Cálculo Dinâmico

2.6.1 Simulação Dinâmica Simplificada (Monozona)

O método de simulação de cálculo dinâmico simplificado tem como base, o balanço energético numa base horária, descrito na norma EN ISO 13790 para a estimativa das necessidades de energia ao nível do aquecimento e arrefecimento. A estimativa do consumo energético é efetuada recorrendo a um cálculo anual simples, baseado nas diretivas presentes na Portaria 349-D/2013 do DL 118/2013, para os restantes usos de energia, excetuando cargas de aquecimento e arrefecimento.

As Tabelas 2 e 3 referem-se, respetivamente, aos elementos a considerar aquando da caracterização e visita ao edifício e às condições a serem respeitadas na aplicação do método de cálculo dinâmico simplificado para obter o IEEpr de um edifício ao abrigo do RECS.

Tabela 2 - Condições a respeitar no cálculo dinâmico simplificado

Elemento Condições a Respeitar no levantamento

Dados

Climáticos Devem ser utilizados os dados climáticos disponibilizados pela ADENE, entidade que gere o SCE. Vãos

Envidraçados

No caso de existirem dispositivos de sombreamento móvel, deve ser considerada, a utilização desses dispositivos sempre que a radiação incidente na fachada exceda os 300 W/m2_{, ou que nos mesmos estão}

ativos a 60% da área ou outro método que produza efeito equivalente Zonamento

O edifício é considerado como uma só zona térmica, podendo ser adicionadas outras zonas referentes a espaços complementares, com consumo de energia somente para outros fins além de

aquecimento/arrefecimento.

Perfis Devem ser considerados, no caso de edifícios existentes, os horários para a ocupação, iluminação, e utilização de equipamentos, para cada zona térmica do edifício.

Condições

Interiores Deve ser considerada que varia entre os 20 °C e os 25 °C, inclusive. Caudais de Ar

Novo

No caso de espaços ventilados exclusivamente com recurso a meios naturais, considera-se o valor do caudal de ar novo correspondente ao valor de caudal mínimo determinado pelo método prescritivo sem ter em consideração a eficácia de remoção de poluentes

Pontes Térmicas

As Pontes Térmicas Lineares (PTLs), podem ser consideradas mediante majoração global, em 5% das necessidades de aquecimento do edifício.

As Pontes Térmicas Planas (PTPs), caso não sejam identificadas e caracterizadas, deverão ser consideradas mediantes majoração, em 35%.

Sistemas de Climatização

Devem ser considerados os caudais de ar novo introduzidos nos espaços (tendo em conta a eficácia de ventilação) e suas respetivas características.

O sistema deverá ser controlado para ligar e desligar em função das cargas térmicas do edifício e deverá ter um horário de funcionamento igual ao período de ocupação do edifício, podendo o horário diário de arranque e paragem do sistema ser diferente do horário de ocupação, desde que tal permita otimizar a eficiência da instalação.

Os horários dos ventiladores de ar novo incluídos no sistema de climatização, devem refletir um funcionamento contínuo sempre que os espaços estão ocupados, bem como o funcionamento permanente quando os espaços tenham requisitos de ventilação.

Tabela 3 - Soluções de referência a considerar na determinação do IEEref

Tipo de elemento Soluções a considerar

Envolvente

Utilizar, os coeficientes de transmissão térmica superficiais de referência de elementos opacos constantes da Tabela 21, determinados segundo a alteração da espessura do isolamento previsto na solução construtiva, sendo que, no caso de não estar previsto isolamento, a solução de referência deverá considerar a aplicação a aplicação desse isolamento ou uma outra solução construtiva, desde que em ambos os casos se mantenha a inércia do edifício.

Coeficientes de transmissão térmica superficiais de referência para envidraçados constantes na Tabela 21.

Área de vão envidraçado igual a 30% da área de fachada e 0% nas coberturas Fator solar dos vãos envidraçados de referência constantes da Tabela 21 Coeficiente de absorção da radiação solar da envolvente opaca, α = 0,4 Aquecimento e/ou

Arrefecimento ambiente

Nas situações em que exista a instalação de sistemas para aquecimento e para arrefecimento ambiente:

- No caso de produção de aquecimento com recurso a bomba de calor, considerar bomba de calor do

chiller de compressão com permuta exterior de ar, com valor da eficiência igual ao limite inferior

(menos eficiente) da classe correspondente ao requisito mínimo aplicável e definido na Tabela I.17 para o efeito, presente na portaria 349 D do DL-118/2013

Ventilação

Considerar os valores de caudal de ar novo por espaço determinados pelo método prescritivo e utilização de um sistema de ventilação exclusivamente mecânico, com uma eficácia de ventilação de 0,8.

No caso de espaços com existência predominante (mais de 75%) de materiais de baixa de emissão poluente, o caudal de referência deve ser o correspondente à situação do edifício sem atividades que envolvam a emissão de poluentes específicos.

AQS

Considerar no caso de sistemas com recurso a equipamentos de queima de combustível, o valor da eficiência da unidade de produção igual ao requisito mínimo aplicável para caldeira e definido segundo a Tabela x+d para o efeito

Iluminação

Considerar a densidade de potência de iluminação correspondente ao requisito mínimo aplicável, sem sistemas de controlo por ocupação ou por disponibilidade de luz natural e definido na Tabela Y para o efeito.

Ausência de sistemas de controlo de iluminação em função da ocupação, da luz natural ou outras soluções energética na iluminação

2.6.2 Simulação Dinâmica Detalhada (Multizona)

A simulação dinâmica multizona, não sendo o método base para a determinação do IEE em pequenos edifícios existentes destinados a comércio e serviços, é o mais aconselhado quando se trata de um edifício com várias zonas térmicas.

Este método de simulação deve ser executado por programas acreditados pela norma ASHRAE 140, os quais devem preencher os seguintes requisitos:

 Mais que uma zona térmica;

 Simular numa escala de 8760 horas correspondendo a um tempo horário de um ano civil;

 Modelar numa variação horária das cargas internas, diferenciadas em ocupação, iluminação e equipamentos;

 Modelar os pontos de ajuste dos termostatos de cada zona térmica definida e a operação dos sistemas de climatização, permitindo a respetiva parametrização, de forma independente, para dias da semana e fins de semana;

 Modelar a recuperação de calor do ar rejeitado;

 Contabilizar o efeito da massa térmica do edifício.

Aquando de uma visita ao edifício alvo de certificação energética, para aplicar o método de simulação dinâmica multizona de forma uniforme, certos elementos devem ser considerados, elementos esses definidos na tabela apresentada posteriormente.

Tabela 4 - Elementos mínimos a ter em conta no levantamento e caracterização do edifício para efeitos de cálculo do IEE através do método de simulação dinâmica multizona

Tipos de elemento Aspeto(s) a levantar/ caracterizar por zona térmica

Volumetria

Tipo de espaço Pé-direito

Áreas em contacto com o solo, áreas totais do pavimento do espaço, da envolvente vertical e da envolvente horizontal, exterior e interior, opaca e envidraçada

Envolvente Materiais de construção ou características térmicas das soluções construtivas Inércia térmica ou propriedades dos materiais

Ocupação Densidade e perfil de ocupação do espaço

Sistemas de Climatização

Tipo de características técnicas dos sistemas para aquecimento, e/ou arrefecimento e respetivo perfil de funcionamento

Tipo e características técnicas dos sistemas mecânicos de extração e /ou insuflação de ar novo e respetivo perfil de funcionamento

AQS Tipo e características técnicas do(s) sistema(s) de aquecimento de água sanitária incluindo o respetivo consumo diário.

Elevadores, escadas e

tapetes rolantes Potência do(s) motor(es), tempo médio de manobra, carga nominal e velocidade nominal

Iluminação Tipos de potências dos equipamentos de iluminação artificial interior e exterior e respetivo perfil de funcionamento

Outros equipamentos e consumos

Densidade e perfil de utilização dos equipamentos cuja dissipação de energia ocorra para o espaço Outros consumos (média anual) que não resultam em cargas térmicas para os espaços considerados

De forma a parametrizar o programa de simulação dinâmica multizona, é necessário respeitar as condições especificadas na Tabela 5.

Tabela 5 - Condições a respeitar no cálculo dinâmico detalhado Elemento Condições a Respeitar no levantamento

Dados Climáticos

Devem ser utilizados os dados climáticos disponibilizados pela ADENE, entidade que gere o SCE. Vãos

Envidraçados

No caso de existirem dispositivos de sombreamento móvel, deve ser considerada, a utilização desses dispositivos sempre que a radiação incidente na fachada exceda os 300 W/m2_.

Zonamento

Deve ser efetuado um zonamento do edifício que permita a caracterização de cada zona térmica do edifício considerando as seguintes características: ocupação, orientação, sistemas instalados entre outros. Cada zona térmica deverá ser simulada de forma autónoma, podendo ser agregados na mesma zona, espaços com características idênticas.

Perfis Devem ser considerados, no caso de edifícios existentes, os horários para a ocupação, iluminação, e utilização de equipamentos, para cada zona térmica do edifício.

Condições Interiores

Deve ser considerada que varia entre os 20 °C e os 25 °C, inclusive.

Pontes Térmicas

As Pontes Térmicas Lineares (PTLs), podem ser consideradas mediante majoração global, em 5% das necessidades de aquecimento do edifício.

As Pontes Térmicas Planas (PTPs), caso não sejam identificadas e caracterizadas, deverão ser consideradas mediantes majoração, em 35%.

Sistemas de Climatização

Devem ser considerados os caudais de ar novo introduzidos nos espaços (tendo em conta a eficácia de ventilação) e suas respetivas características.

O sistema deverá ser controlado para ligar e desligar em função das cargas térmicas do edifício e deverá ter um horário de funcionamento igual ao período de ocupação do edifício, podendo o horário diário de arranque e paragem do sistema ser diferente do horário de ocupação, desde que tal permita otimizar a eficiência da instalação.

Os horários dos ventiladores de ar novo incluídos no sistema de climatização, devem refletir um funcionamento contínuo sempre que os espaços estão ocupados, bem como o funcionamento permanente quando os espaços tenham requisitos de ventilação.

Se o programa utilizado não for capaz de modelar um ou mais componentes ou sistemas técnicos do edifício, o consumo dos mesmos deve ser estimado através do cálculo anual simples considerando as respetivas potências absorvidas e os seus perfis de utilização.

3. Programas de Simulação Utilizados

3.1 STE-MONOZONA

Este software foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG) e consiste num programa de simulação dinâmica simplificada para verificação do REH e do RECS, quando considerados com uma só zona térmica. Permite calcular o consumo de energia de um edifício e simular a potência máxima necessária para um sistema de climatização (20).

O STE-MONOZONA (Simulação Térmica de Edifícios) executa uma simulação dinâmica simplificada para uma só zona térmica (modelo monozona). A simulação é feita numa escala horária anual (oito mil setecentas e sessenta horas) e calcula as necessidades de aquecimento e de arrefecimento necessárias para manter os espaços à temperatura interior de referência definida pelo RECS, para as estações de aquecimento e arrefecimento para um espaço monozona. Este método efetua um balanço dinâmico do espaço contabilizando, de hora em hora, a variação entre as perdas e os ganhos térmicos através dos vãos envidraçados e pelas envolventes opacas, considerando também os ganhos internos associados a iluminação existente e aos equipamentos instalados. O modelo utilizado por este programa de simulação é denominado de RC ou 5R1C e foi desenvolvido pelo Centre Scientifique et Technique du Batiment (CSTB) e assume o princípio da analogia de um circuito elétrico,

associando resistências e capacitâncias à transferência de calor. Neste modelo, o edifício é considerado como uma única zona térmica, sendo esta aproximação possível desde que os ganhos solares se encontrem distribuídos de forma uniforme pelo espaço interno e que não existam variações térmicas relevantes no espaço interno (21). Este software define uma zona térmica através de três nodos em que um representa a temperatura do ar interior da zona, outro representa a temperatura resultante da média entre a temperatura média radiante, pesada pelos coeficientes de transmissão de calor por convecção e radiação, e o terceiro no coincide com a temperatura da massa correspondente à temperatura média superficial dos elementos que contribuem para o armazenamento térmico.

Este modelo integra uma base interna de dados climáticos para todos os concelhos de Portugal em consonância com a divisão climática do país para efeitos de aplicação dos regulamentos de desempenho energético dos edifícios em todo o território nacional.

3.2 HAP

O Hourly Analysis Program, HAP, é um programa que oferece inúmeras opções para projetar sistemas AVAC para edifícios comerciais e possui também uma enorme capacidade de análise energética no que diz respeito a comparações de consumos e custos de operação entre sistemas de climatização. Este programa é muito utilizado em projetos de eficiência energética em edifícios devido à sua capacidade de simular numa escala anual (8760 horas) tendo em conta as condições locais (13).

O método de cálculo utilizado pelo HAP é denominado de Método de Função Transferência (Transfer Function

Method) e baseia-se no método de balanço de energia. O balanço de energia é a forma mais rigorosa de calcular

as cargas térmicas de um edifício, uma vez que este método avalia cada processo de condução, convecção, radiação e armazenamento de calor que ocorra num edifício recorrendo às leis fundamentais da termodinâmica e da transferência de calor. Para cada “nodo” dentro de um espaço é definida uma equação, sendo esse nodo o correspondente a uma superfície ou elemento presente no espaço em estudo. O balanço energético para uma superfície é definido por:

(Taxa de Calor que entra) – (Taxa de calor que sai) = 0

(1)

No caso de um elemento de massa, o balanço passa a ser definido por:

(Taxa de Calor que entra) – (Taxa de calor que saí) = Taxa de energia armazenada

(2)

O Método de Função Transferência resulta de uma publicação de 1967 por cientistas da Canadian National

Research Council e é baseado numa ideia conhecida como o “Princípio do Fator Resposta”.

No HAP, esta metodologia é executada em três passos [HAP]:

 Recorrendo a equações de condução utilizadas para analisar o fluxo de calor nas paredes e na cobertura;

 Definindo as funções de transferência do espaço para analisar os processos de radiação, convecção e armazenamento de calor de todos os componentes presentes nesse espaço;

 As equações de extração de calor são utilizadas para analisar os efeitos da variação de temperatura do ar interior no fluxo de calor por convecção, proveniente da massa existente do compartimento. Entenda-se por massa, objetos presentes no espaço.

4. Caso de Estudo

4.1 Caracterização do Edifício

O edifício selecionado para o presente estudo é a Residencial Santo André e situa-se na Rua Laura Ayres, no concelho do Barreiro. A avaliação será efetuada na totalidade do edifício sendo este dedicado a hotelaria residencial.

A Residencial Santo André é considerada um Pequeno Edifício de Comércio e Serviços por não exceder os 1000 m2 _{de área total e é composta por dois edifícios, o edifício principal com dois pisos e o segundo edifício é}

constituído por um piso que alberga a garagem, lavandaria e a sala das máquinas (caldeira, bomba de calor e termoacumulador). Por motivos explicados posteriormente este edifício não será contabilizado no estudo.

O piso zero da residencial é composto por quartos com casa de banho privativa, sala de espera, receção, cozinha, sala de refeições, escritório, casas de banho e balneários destinados aos trabalhadores do estabelecimento. No primeiro piso, encontram-se mais quartos, também estes com casas de banho privativas.

4.2 Zona Climática

A localização geográfica do edifício influencia as trocas de calor entre o interior do edifício e o ambiente exterior, devido a fatores como temperatura do ar exterior, distância entre o edifício e o mar, altitude e ventos predominantes no local.

Toda esta informação acerca do local onde se encontra o edifício pode ser obtida através de uma base de dados climática disponibilizada pelo LNEG (11).

Segundo o RECS, o zonamento climático é determinado com base na Nomenclatura de Unidade Territoriais para Fins Estatísticos (NUTS) de nível III recorrendo a valores referentes à localidade e região, segundo as seguintes Tabelas.

Tabela 6 - Critérios para a determinação da zona climática de inverno

Critério GD < 1300 1300 < GD < 1800 GD > 1800

Zona I1 I2 I3

Tabela 7 - Critérios para a determinação da zona climática de verão

Critério Θext, i < 20 °C 20 °C < Θext, i < 22ºC Θext, i > 22ºC

Zona V1 V2 V3

Foram determinadas para a Residencial de Santo André, as seguintes zonas climáticas de inverno e verão:

Zona climática de inverno

Tabela 8 - Valores de referência e declives de ajuste função da altitude para a estação de aquecimento z REF m M GD Θext, i GSul kWh/m2 por mês REF meses a mês/km REF °C a °C/km REF °C a ºc/km Península de Setúbal 47 4,7 0 1045 1500 10,7 -4 145

Segundo os dados referentes ao local onde se situa a residencial Santo André, a zona climática de inverno definida é a I1.

Zona climática de verão

Tabela 9 - Valores de referência e declives de ajuste função da altitude para a estação de arrefecimento

Z REF

M

Θext, i Isol

kWh/m2 _{acumulados de Junho a Setembro}

°C a °C/km 0º 90º N 90º NE 90º E 90º SE 90º S 90º SW 90º W 90º NW Península de Setúbal 47 22,8 -5 845 225 365 505 495 410 495 505 365

Segundo os dados referentes ao local onde se situa a residencial Santo André, a zona climática de verão definida é a V3.

Relativamente aos meses de aquecimento, isto é, meses onde é utilizado um sistema de aquecimento, neste caso uma bomba de calor, com o propósito de aquecer o espaço interior, estes foram selecionados consoante os dados climáticos apresentados anteriormente e correspondem aos meses de Outubro a Maio. Notar que o RECS não define a duração da estação de aquecimento e de arrefecimento.

Os meses de arrefecimento correspondem aos meses entre Junho e Setembro, inclusive.

Outro aspeto influenciador do comportamento térmico do edifício é a sua distância à costa. Neste caso de estudo, a Residencial Santo André dista cerca de 15 km da costa.

4.3 Enquadramento Regulamentar

O edifício vai ser estudado com base no DL_118/2013 referente ao Regulamento de Edifícios de Comércio e Serviços (RECS), sendo alguns valores assumidos conforme os parâmetros disponíveis no presente decreto por não existir informação disponível acerca de aspetos técnicos do edifício.

4.4 Caracterização dos elementos da envolvente

Segundo o DL_118/2013, entende-se por envolvente o conjunto de elementos de construção do edifício ou fração, compreendendo paredes, pavimentos, coberturas e vãos, que separam o espaço interior útil do ambiente exterior, dos edifícios ou frações adjacentes, dos espaços não úteis e do solo.

A definição da envolvente é um dos parâmetros mais importantes durante um estudo térmico de um edifício visto que é este dado que define a área que está em contacto com o exterior, zona de maiores trocas térmicas devido à variação de temperatura. Segundo o RECS, a definição da envolvente do edifício e as suas trocas são identificadas por três cores sendo elas o castanho, o encarnado e o verde. O castanho é utilizado para identificar trocas com o solo e com espaços sem requisitos como é o caso de frações, destinadas a comércio e serviços, e edifícios adjacentes ou espaços complementares (como arrumos). A cor encarnada serve para assinalar as áreas em contacto com o meio exterior, tanto paredes como coberturas e, finalmente, a cor verde é utilizada para identificar envolventes que estejam em contacto com espaços com requisitos.

4.4.1 Paredes Exteriores

As paredes são duplas com dois panos de tijolo furado do tipo 11 + 15, com isolamento térmico de 40 mm de espessura e 1 cm de reboco em cada um dos lados da parede.

4.4.2 Paredes interiors

A parede interior é simples constituída por tijolo do tipo 15 com reboco em cada extremidade da parede.

4.4.3 Coberturas

A cobertura é em desvão ventilado não útil, com placas de isolamento térmico do tipo XPS de 40mm colocadas sobre a laje com 20 cm de espessura.

4.4.4 Pavimentos

O pavimento é composto por lajes aligeiradas, com isolante de XPS de 40 mm de espessura sob a laje do pavimento referente ao primeiro andar.

4.4.5 Inércia Térmica

Atendendo ao Despacho 15793-E/2013, existem dois métodos possíveis para identificar a classe de inércia térmica interior de um edifício (8).

A primeira opção e, também preferencialmente utilizada, consiste na realização do cálculo presente no despacho que recorre aos parâmetros térmicos com base nos valores de massa superficial das soluções e revestimentos implementados no edificio, apresentando-se da seguinte forma.

p i i i tr

A

s

r

Ms

I

I





.

.

[kg/m

]

(1)

Msi – Massa superficial útil do elemento i, [kg/m2];

r – Fator de redução da massa superficial útil; Si – Área da superfície interior do elemento i,[m2_]; Ap – Área interior útil de pavimento, [m2_].

O resultado de It, obtido através da expressão identifica a classe de inercia térmica segundo a tabela abaixo, presente despacho 15793-K/2013 na Tabela 10.

Tabela 10 - Classes de inércia térmica interior, It

Classe de inércia térmica It [kg/m2]

Fraca It < 150

Média 150 < It < 400

Forte It > 400

O segundo método de identificação, apenas aplicável a edifícios existentes, é efetuado de uma forma qualitativa recorrendo a Tabela 11, tabela esta correspondente à Tabela 03 presente no despacho acima referido [10].

Tabela 11 - Regras de simplificação aplicáveis à quantificação da inércia térmica interior

Classe de Inércia

Térmica Interior Requisitos

Fraca

Caso se verifiquem cumulativamente as seguintes soluções:

Teto falso em todas as divisões ou pavimento de madeira ou esteira leve (cobertura);

Revestimento de piso do tipo flutuante ou pavimento de madeira;

Paredes de compartimentação interior em tabique ou gesso cartonado ou sem paredes de compartimentação;

Média Caso não se verifiquem os requisitos necessários para se classificar a classe de inércia térmica em Forte ou Fraca.

Forte

Caso se verifiquem cumulativamente as seguintes soluções, sem aplicação de isolamento térmico pelo interior:

Pavimento e teto de betão armado ou pré-esforçado; Revestimento de teto em estuque e reboco;

Revestimento do piso cerâmico, pedra, parquet, alcatifa tipo industrial sem pelo, com exclusão de soluções de pavimentos flutuantes;

Paredes interiores de compartimentação em alvenaria com revestimentos de estuque ou reboco;

Paredes exteriores de alvenaria com revestimentos interiores de estuque ou reboco;

Paredes da envolvente interior (caixa de escadas, garagem, …) em alvenaria com revestimentos interiores de estuque ou reboco.

Neste caso de estudo e uma vez não existir informação suficiente sobre a constituição dos elementos foi utilizado o segundo método de identificação da classe de inércia térmica interior sendo definida a classe média.

4.4.6 Vãos envidraçados

O dimensionamento das áreas envidraçadas, consoante a orientação solar é uma das medidas que contribui significativamente para o conforto de espaços interiores. Para edifícios com uma utilização destinada a habitação/hotelaria, a capacidade de captar a radiação solar é umas das principais preocupações a ter a fim de aumentar a exposição do espaço à luz natural.

Os vãos envidraçados, identificados aquando da visita, são do tipo duplo incolor com 6 mm de espessura e a caixilharia é de alumínio com proteção solar exterior do tipo persianas metálicas de cor escura (castanho avermelhado).

4.4.6.1 Sombreamento

A presença de objetos exteriores ao edifício, tais como outros edifícios, orografia, vegetação, ou elementos incorporados no próprio edifício que reduzam a incidência de radiação solar no vão envidraçado é contabilizada pelo fator de obstrução dos vãos envidraçados, Fs. Este fator é traduzido segundo a expressão:

f

F

F

Fh

Fs



.

.

₍₂₎

Fh – Fator de sombreamento do horizonte por obstruções exteriores ao edifício ou por outros elementos do edifício;

F0 – Fator de sombreamento por elementos horizontais sobrejacentes ao envidraçado, compreendendo palas e varandas;

Ff – Fator de sombreamento por elementos verticais adjacentes ao envidraçado, compreendendo palas verticais, outros corpos ou partes de um edifício.

O sombreamento do horizonte, Fh, engloba o efeito do sombreamento provocado por obstruções exteriores ao edifício ou por edifícios vizinhos consoante o ângulo do horizonte, latitude, orientação. O efeito do sombreamento do horizonte na estação de arrefecimento é desprezado, sendo atribuído o valor 1 ao fator Fh. O ângulo do horizonte resulta do ângulo entre o plano horizontal e a reta que atravessa o centro do vão envidraçado, conforme apresentado na Figura 6.

Figura 6 - Ângulo de horizonte α

Os fatores de sombreamento de elementos verticais e horizontais, Ff e F0 traduzem o sombreamento resultante da existência de elementos horizontais e verticais acoplados ao edifício como palas, varandas ou outros elementos semelhantes, sendo esse sombreamento influenciado pelo comprimento e ângulo da obstrução, pela