Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? - Um estudo exploratório

Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório Diogo Filipe Pereira Cabral Relatório da Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Prof. José Luís Alexandre Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Julho 2013 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório i Resumo Tendo em conta a atual preocupação mundial em reduzir o consumo energético global, uma de muitas problemáticas é o excesso de utilização de iluminação artificial em edifícios, mais concretamente em edifícios de serviços do tipo escritórios. Esta pode ser colmatada com melhor aproveitamento de luz natural, dado ser durante o dia que estes são maioritariamente utilizados. Desta forma, o estudo proposto neste trabalho, baseiase na verificação e quantificação da redução do consumo energético associada à utilização de um dispositivo denominado tubo de luz num escritório. Os consumos energéticos determinados abordaram não só as necessidades elétricas, em iluminação, como também térmicas, em sistemas AVAC, e no cômputo geral, ou seja, tendo em conta todas as parcelas envolvidas no consumo global de um escritório. Este pertence a um edifício de serviços comum localizado na cidade do Porto, estando situado numa zona central do mesmo de forma a reduzir fatores de influência nas necessidades térmicas da sala. Na verdade, são analisados cinco escritórios de profundidades diferentes, visto ser uma característica determinante na distribuição da iluminação natural ao apenas existir uma janela na sua única fachada exterior orientada a Sul. Para o efeito, foi utilizado um software de simulação de iluminação natural e artificial (DIALUX), determinando perfis de iluminação sem o efeito luminoso de tubos de luz. A contribuição luminosa proveniente de tubos de luz foi calculada também a partir de uma ferramenta de simulação (HOLIGILM). A integração da iluminação natural proveniente de tubos de luz com as restantes, foi feita a partir de um modelo de sobreposição de diversas fontes de luz, proposto e validado neste trabalho, permitindo desta forma, estabelecer perfis de iluminação com a utilização do dispositivo em causa. A verificação da necessidade de iluminação artificial foi realizada tendo em conta o limite de iluminância mínimo proposto na norma EN 12461. Os resultados demonstram a expectável potencial poupança energética com a utilização de um tubo de luz, visto este aumentar o proveito de iluminação natural. No que toca ao consumo energético em iluminação artificial, foi determinada uma poupança aproximadamente de 25%. Quanto às necessidades térmicas de aquecimento e arrefecimento, notou-se, para as primeiras, um aumento muito pouco substancial, enquanto para a componente de arrefecimento a poupança energética poderá ascender a 7,5% no caso mais favorável e 5,8% no pior caso. A nível de consumo energético global, foi possível estimar uma redução em cerca de 5%. São ainda demonstrados resultados de poupanças obtidas com a introdução de um segundo tubo de luz nos dois escritórios de maior profundidade: relativamente à iluminação artificial, aumento em 10 pontos percentuais; no caso das necessidades térmicas de arrefecimento, um acréscimo entre 1 e 3 pontos percentuais; quanto ao consumo de energia global, constatou-se uma melhoria em 2 pontos percentuais. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório ii Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório iii Abstract Reducing the world’s energetic consumption is one of the most important problems society faces today, specifically reducing the amount of artificial illumination in infrastructures such as office buildings. We can address this problem by using natural illumination more efficiently, given that this type of building is used mainly during the day. This work focuses on the verification and quantification of the reduction in electric consumption when using a natural source of light, a light tube, in an office. The electric and energetic consumptions we calculated take into account all the needs and office has: electrical, such as lighting; thermic, the AVAC systems; and general needs of energy in an office environment. The office we studied is part of a normal services and offices building in Porto, in the middle of the building, so that it can reduce the thermic influences in the rooms. We analyze five different rooms, with different lengths, as their length is a decisive characteristic when studying the distribution of natural light coming from one window facing south in this case. A natural illumination simulation software (DIALUX) was used to determine lighting profiles without the use of light tubes; a different software (HOLIGILM) was used to calculate the lighting profiles which were obtained from the use of light tubes. To match the different profiles and integrate the different lighting methods, a model which overlays different light sources, proposed and validated in this paper, was used, allowing us to obtain new lighting profiles which incorporate the light tube. The need for artificial illumination was done by following the lowest limit of luminance proposed in the EN 12461 regulation. The results matched the expectations, showing an energetic saving by using a light tube, related to lighting, with up to 25% less usage of energy. The saving in energy related to the thermic needs was not as great, with the heating needs not being able to meet with the use of light tubes, and the cooling needs with a saving of 7,5% in the best case scenario and 5,8% in the worst case. The overall energy consumption saving is of about 5%. The study concerning the insertion of a second light tube in the longest offices is also studied: regarding artificial illumination, an improvement of 10 percentage points is achieved; in the thermic needs we were able to improve the consumption between 1 and 3 percentage points; and globally, an improvement of 2 percentage points was gained. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório iv Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório v Abreviaturas ADELINE - Advanced Day and Electric Lighting Integrated New Environment; AVAC – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado; COP – Coeficiente de Desempenho (Coefficient of Performance); DPF – Fator de penetração de luz natural (Daylight Penetration Factor); FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto; HOLIGILM – Hollow Light Guide Interior Illumination Method; kgep – Quilograma equivalente de petróleo; LCP - Laser Cut Panels; MIEM – Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica; PMMA - Polimetil-metacrilato; RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios; RSECE - Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios; IESNA - Sociedade Norte-americana de Engenharia da Iluminação (Illuminating Engineering Society of North America) CFD – Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dinamics) Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório vi Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório vii Nomenclatura En Energia J ν Frequência Hz h Constante Planck J/s λ Comprimento de onda nm m Massa kg v Velocidade m/s T Período s c Velocidade da luz km/s φ Fluxo luminoso lm S Fluxo de energia W V Sensibilidade relativa do olho humano - η Eficiência energética lm/W P Potência W I Intensidade luminosa cd Ω Ângulo sólido sr S Área m2 r Raio m d Distância m L Luminância cd/m2 E Iluminância lx aD,máx Profundidade máxima m hLi Altura do topo da janela m hTa Altura da base da janela m Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório xiv Figura 28: Extratores - à esquerda, solução com prateleira horizontal circular, à direita, solução com anel de PMMA fluorescente. [9] ............................................................. 24 Figura 29: Esquema do funcionamento do software ADELINE. [19]........................... 27 Figura 30: Interface do DIALUX. [21] ........................................................................ 28 Figura 31: Esquema do funcionamento do software EnergyPlus. [26].......................... 31 Figura 32: Ilustração do posicionamento da sala no edifício. [28] ................................ 35 Figura 33: Esquema das dimensões das diferentes salas em estudo. ............................. 37 Figura 34: Exemplo da distribuição das luminárias (sala 2). ........................................ 38 Figura 35: Luminária TBH424 2xTL5-28W HFP C5-H GT da marca Philips. ............. 39 Figura 36: Malha de cáculo definida para a sala 2. ...................................................... 42 Figura 37: Esquema dos módulos utilizados na simulação no TRNSYS. ..................... 49 Figura 38: Consumo energético para os dias e salas em estudo sem a contribuição de tubos de luz. ................................................................................................................ 52 Figura 39: Consumo energético em iluminação artificial para os dias e salas em estudo com a contribuição de um tubo de luz ......................................................................... 53 Figura 40: Poupança obtida em iluminação artificial com a instalação de um tubo de luz. ................................................................................................................................... 54 Figura 41: Comparação da redução entre a aplicação de um ou dois tubos de luz na sala 4 e 5. ........................................................................................................................... 55 Figura 42: Redução anual do consumo energético em iluminação artificial obtida com a introdução de um tubo de luz. ..................................................................................... 56 Figura 43: Resultados obtidos com a introdução do segundo tubo de luz. .................... 56 Figura 44: Energia consumida no sistema de climatização e iluminação artificial sem tubos de luz. ................................................................................................................ 57 Figura 45: Energia consumida no sistema de climatização e iluminação artificial com tubos de luz. ................................................................................................................ 58 Figura 46: Reduções das necessidades de arrefecimento e do consumo energético em iluminação artificial obtidas pela introdução de um tubo de luz. .................................. 59 Figura 47: Influência da introdução do segundo tubo de luz nas necessidades de arrefecimento. ............................................................................................................. 60 Figura 48: Repartição da energia consumida na sala 1 sem tubos de luz. ..................... 61 Figura 49: Repartição da energia consumida na sala 1 com um tubo de luz. ................ 61 Figura 50: Poupança energética no consumo global anual com a introdução de um tubo de luz. ......................................................................................................................... 62 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório xv Figura 51: Influência da introdução do segundo tubo de luz na energia global consumida. .................................................................................................................. 62 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório xvi Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório xvii Índice de tabelas Tabela 1: Diferentes iluminâncias para diferentes momentos do dia e noite. [3] ............ 8 Tabela 2: Diferentes materiais e suas transmissividades. [2] ........................................ 12 Tabela 3: Valor da profundidade de cada sala em estudo. ............................................ 37 Tabela 4: Graus de reflexão utilizados na envolvente interior dos espaços em estudo. . 38 Tabela 5: Número de luminárias instaladas para cada sala. .......................................... 39 Tabela 6: Distribuição de iluminância da sala 2 com três luminárias ligadas. ............... 40 Tabela 7: Distribuição de iluminância da sala 2 com todas as luminárias ligadas. ........ 40 Tabela 8: Valores de referência para a distância entre as várias superfícies e a “zona ocupada”. [31] ............................................................................................................ 41 Tabela 9: Distribuição da iluminância da sala 2 proveniente apenas da janela no dia 21 de Julho com céu limpo às 10 horas. ........................................................................... 42 Tabela 10: Distribuição da iluminância da sala 2 proveniente da janela e da luminária 4 no dia 21 de Julho com céu limpo às 10 horas. ............................................................ 43 Tabela 11: Distribuição da iluminância da sala 2 proveniente da janela e da luminária 3 e 4 no dia 21 de Julho com céu limpo às 10 horas........................................................ 43 Tabela 12: Perfil de iluminação artificial para o dia 21 de Julho com céu limpo. ......... 44 Tabela 13: Perfil de iluminação artificial para o dia 21 de Dezembro com céu limpo... 44 Tabela 14: Propriedades dos componentes do tubo de luz utilizado. ............................ 45 Tabela 15: Posicionamento dos tubos de luz para as diferentes salas em estudo. .......... 46 Tabela 16: Distribuição de iluminância proveniente da janela às 10h do dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. ....................................................................................... 47 Tabela 17: Distribuição de iluminância proveniente do tubo de luz às 10h do dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. .............................................................................. 47 Tabela 18:Distribuição de iluminância resultante depois de somar os efeitos provenientes da janela e do tubo de luz. ...................................................................... 47 Tabela 19: Perfil de iluminação artificial obtido no dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. ....................................................................................................................... 48 Tabela 20: Perfil de iluminação artificial obtido no dia 21 de Dezembro com céu limpo para a sala 2. ............................................................................................................... 48 Tabela 21: Verificação da sobreposição da iluminação proveniente de uma janela vertical e uma horizontal. ............................................................................................ 69 Tabela 22: Verificação da sobreposição da iluminação proveniente de duas luminárias em duas posições diferentes. ....................................................................................... 70 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório xviii Tabela 23: Distribuição de iluminância do tubo de luz 1. ............................................. 70 Tabela 24: Distribuição de iluminância do tubo de luz 2. ............................................. 71 Tabela 25: Soma das distribuições de iluminância do tubo de luz 1 com o tubo de luz 2. ................................................................................................................................... 71 Tabela 26: Distribuição da iluminância do tubo de luz 1 e 2 em simultâneo................. 71 Tabela 27: Diferença, em percentagem, entre as tabelas 24 e 25. ................................. 72 Tabela 28: Perfil de Ocupação [33] ............................................................................. 89 Tabela 29: Perfil de Equipamentos [33]....................................................................... 90 Tabela 30: Densidade de Equipamentos e Ocupação [33] ............................................ 90 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 1 1. Introdução 1.1. Enquadramento e objetivos do trabalho Apesar da conjuntura atual, crise económica e financeira, e o fato de haver uma clara tendência para o consumo energético aumentar, subsiste uma necessidade crescente em encontrar soluções que possibilitem combater estas preocupações. O recurso a fontes de energia renovável tem ganho popularidade, o que tem permitido uma melhoria na eficiência energética, para além da redução de emissão de gases de efeito estufa. Das mais variadas utilizações de energia associadas a edifícios dos diversos setores, a iluminação, natural ou artificial, está intrinsecamente ligada ao nosso quotidiano, sendo portanto um assunto que merece todo o cuidado no que toca a medidas de poupança de energia. O uso excessivo de iluminação artificial pode levar a efeitos indesejados tanto para os ocupantes de um edifício como no consumo exagerado de energia. Como exemplo, refere-se que no ano 2000, a energia gasta na iluminação doméstica era cerca de 13% do consumo total da energia elétrica, correspondendo a 6,5 milhões de toneladas de petróleo equivalente. Já no sector industrial esse valor é ainda mais elevado, cerca de 47 milhões de toneladas de petróleo equivalente. [1] É óbvio a necessidade de luz elétrica durante a noite, todavia, durante o dia essa é frequentemente desperdiçada devido ao mau aproveitamento da luz solar. Esse é resultante da má gestão da mesma aquando da projeção dos edifícios, que muitas das vezes não leva em conta a diferentes fatores, como por exemplo, uma adequada colocação de janelas. [1] Dito isto, é imperativo que se comece a aplicar novas formas de aproveitamento da energia solar para a iluminação de interiores dos edifícios, durante o dia, poupando-se assim os recursos inerentes à produção de energia elétrica, para além de se suavizar o impacto ambiental que a exploração daqueles acarreta. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 2 Este trabalho tem como objetivo abordar as formas e sistemas de aproveitamento de luz solar já existentes, como também as ainda pouco conhecidas, das quais se destaca o dispositivo denominando tubo de luz. Assim, pretende-se verificar e quantificar a redução do consumo energético com a introdução de tubos de luz, não só associada à iluminação artificial, bem como na sua influência indireta em sistemas de climatização e no consumo global num espaço do tipo escritório. 1.2. Estrutura do trabalho e Temas Abordados O presente relatório encontra-se dividido em cinco capítulos principais, sendo que este, capítulo um, faz uma breve abordagem às características e propriedades da luz, como também apresenta um resumo dos fatores de influência e dos sistemas convencionais e nãoconvencionais no aproveitamento natural da mesma. O segundo capítulo foca-se no dispositivo em estudo neste trabalho (tubo de luz), explicando as suas diferentes configurações e descrição dos componentes associados. No terceiro capítulo são apresentados vários modelos de simulação dinâmica, nomeadamente no que diz respeito a simuladores de iluminação natural e artificial, iluminação natural de tubos de luz e de necessidades energéticas. Ainda neste capítulo, é proposto e validado um modelo de sobreposição de várias fontes luminosas. O capítulo quatro trata do caso de estudo desta dissertação, onde este é caracterizado e descrito o método de cálculo dos diferentes consumos de energia em análise. Por fim, o capítulo cinco faz a análise dos consumos energéticos com e sem a contribuição luminosa de tubos de luz, salientando e quantificando a poupança inerente à utilização dos mesmos. 1.3. Luz Tratando-se de um tema não integrante de nenhuma unidade curricular do curso onde este trabalho está inserido, efetuou-se um estudo sobre a luz com o objetivo de perceber melhor como esta se comporta e se caracteriza. Desta forma, apresenta-se de seguida uma breve descrição das teorias que foram sendo propostas ao longo do tempo, como também as grandezas que estão relacionadas. 1.3.1. O fenómeno Segundo a “Sociedade Norte-americana de Engenharia da Iluminação” (IESNA), no âmbito na Engenharia da Iluminação, o termo “luz” é definido como uma forma de energia radiante que é capaz de excitar a retina do olho humano e criar a sensação de visão. Fisicamente, a luz é caracterizada por ser uma onda eletromagnética com comprimentos de onda entre 380 e 780 nm do espectro eletromagnético. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 3 Ao longo dos anos foram propostas várias teorias para descrever a luz. Uma das primeiras envolvia a noção de que a esta era emitida pelos olhos, criando a sensação de visão quando estes eram atingidos por essas mesmas emissões. Esta teoria foi rejeitada rapidamente por Aristoteles ao questionar o porquê de não conseguir ver no escuro. Assim, seguem algumas das teorias que foram surgindo, havendo, na generalidade, um consenso entre elas: do ponto de vista físico, a luz era considerada como uma transferência de energia de um local para outro. [2] Teoria Corpuscular [2] Esta teoria, defendida por Isaac Newton (1642-1727), definia que a luz tinha um aspeto corpuscular dada a observação de movimento de partículas. Baseava-se nos seguintes princípios: - corpos luminosos emitem radiação em forma de partículas; - as partículas tem trajetórias retilíneas; - as partículas ao chegarem à retina, estimulam uma resposta correspondente à visão. Teoria Ondulatória [2] A teoria ondulatória, proposta por Christiaan Huygens (1629-1695), foi fundamentada no fato da observação das ondas poderem transferir energia num meio que não se propaga, era baseada nas seguintes premissas: - a luz resulta da vibração molecular do material luminoso; - essa vibração era transmitida por movimentos ondulatórios; - as vibrações atuam na retina dando a sensação de visão. Teoria Eletromagnética [2] Sugerida por James Clerk Maxwell (1831-1879). Esta teoria defendia que os corpos luminosos emitiam a luz na forma de energia radiante que se propagava por ondas eletromagnéticas. Estas ondas eletromagnéticas, à semelhança das anteriores teorias, originavam a sensação de visão ao contactarem com a retina. Teoria Quântica [2] Proposta por Max Planck, trata-se de uma atualização da teoria corpuscular, onde afirmava que a energia era emitida e absorvida de forma descontínua. [2] A emissão de energia acontece quando um eletrão de um átomo passa de um nível superior para um inferior. Essa energia é caraterizada por ser proporcional à frequência da vibração de um fotão: - em que En é a energia em Joules, ν a frequência em Hz e h igual à contante de Planck com o valor de 6,626x10-34 J/s. [2][3] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 4 Teoria Unificada Proposta por Louis de Broglie e Werner Heisenberg, tem por base as duas seguintes premissas: 1. Cada corpo tem associado ao seu movimento uma onda cujo seu comprimento é dado pela seguinte expressão: - em que λ é o comprimento de onda, h é a contante de Planck, m, a massa e v é a velocidade do corpo; Figura 1: Relação entre frequência e comprimento de onda. [2] 2. Não é possível determinar, simultaneamente, todas as propriedades que são distintas entre os comportamentos ondulatório e corpuscular. [2] Na atualidade, a física moderna reconhece a luz como radiação eletromagnética com as duas características: corpuscular e ondulatória. [3] O aspeto ondulatório é caracterizado por uma onda sinusoidal, definida pelo seu comprimento de onda (λ) em nm, período (T) em segundos e frequência (ν) em Hz. Estas propriedades estão relacionadas entre elas e a velocidade da luz (c = 300000 km/s) como se mostra na figura 2. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 5 Figura 2: Comportamento ondulatório da luz. [3] O aspeto corpuscular é definido pela radiação composta por partículas: os fotões. Esta teoria, à qual já se fez referência, e que se encontra demonstrada na expressão antecedente que relaciona a energia e frequência com a constante de Planck, encontra-se apresentada de forma resumida na figura 3: Figura 3: Comportamento corpuscular da luz. [3] A luz, quer seja considerada onda ou fotão, é sempre energia na forma de radiação. [3] 1.3.2. Grandezas Luminosas Neste subcapítulo, apresentam-se as grandezas associadas ao estudo da luz: fluxo luminoso, intensidade luminosa, luminância e iluminância. Fluxo luminoso O fluxo luminoso (φ) representa a quantidade de energia radiante emitida por uma fonte luminosa num certo espaço que seja capaz de sensibilizar o olho humano. Expressa-se em lúmen (lm) – 1/680 W emitidos no comprimento de onde de 555 nm. A expressão para calcular esta grandeza luminosa é a seguinte: ∫ ( ) ( ) Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 12 Os principais materiais utilizados para esta aplicação são o vidro e plástico. Para cada um existe uma grande variedade de subtipos com diferentes propriedades. Na tabela 2 pode-se ver algumas dessas variantes relativamente à transmissividade: Tabela 2: Diferentes materiais e suas transmissividades. [2] Nos vidros, para diminuir o seu coeficiente de condução térmica pode-se aumentar o número de camadas (vidro duplo, tripo), substituir o ar por outro gás mais isolante ou atuar na sua superfície alterando a sua emissividade. 1.4.2. Sistemas convencionais Os sistemas convencionais, como o próprio nome indica, são sistemas amplamente utilizados e conhecidos há muito tempo. Basicamente são aberturas na fachada exterior que, normalmente, utilizam vidro como material de transmissão e que apenas se diferenciam pelo tamanho e posicionamento no edifício. Existem assim, aberturas das mais variadas configurações, a saber: Abertura lateral: esta configuração leva a uma contínua entrada de luz natural, sendo normalmente posicionada na zona superior da fachada para se obter uma iluminância contante. Para não haver grandes variações de iluminância num espaço durante um dia, é usual que a distância entre a janela e a parede oposta a esta seja no máximo o dobro da altura da parte superior da janela – é por esta razão que habitualmente se coloca a janela perto do teto, embora o brilho aumente (vê-se mais céu), na zona de trabalho este continua a um nível confortável para os ocupantes. [2] Abertura lateral com pala horizontal (a): as palas são utilizadas para reduzir a penetração da luz solar em latitudes em que o sol está na sua posição mais alta durante a utilização do Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 13 espaço. A utilização das palas reduz a penetração da luz, todavia contribuem positivamente para que a iluminância se mantenha constante ao longo do dia. Abertura bilateral (b): a utilização de duas aberturas tem a vantagem de se poder duplicar a profundidade de um espaço. Muitas vezes, a segunda janela, existe apenas na zona superior sendo suficiente para se ter uma iluminância satisfatória, reduzindo ao mesmo tempo perdas/ganhos térmicos Abertura uni/bilateral no teto (c): este sistema é normalmente utilizado em edifícios de indústria onde necessitam de luz numa zona mais central. É frequente utilizarem materiais altamente refletores por baixo das aberturas para distribuir melhor a luz natural. Clerestórios (d): este tipo de abertura é utilizado para aumentar a profundidade de penetração da luz natural estando normalmente virados na mesma orientação das aberturas laterais. Aberturas em “dentes de serra” (e): uma configuração também muito utilizada em edifícios industriais de grandes dimensões. Esta permite que haja um grande aproveitamento da luz natural, embora aumente o risco de ocorrência de grandes ganhos térmicos no Verão. [2] Claraboias (f): este tipo de dispositivo pode tomar muitas formas diferentes – por exemplo cúpulas ou painéis em fibra de vidro. São utilizadas para levar luz natural a zonas interiores que não são possíveis de iluminar com aberturas laterais. Na aplicação destes sistemas têm-se de ter em conta o isolamento, pois, caso contrário, podem originar infiltrações e ao gotejamento devido a condensação não desejadas. Existem modelos que permitem fazer ventilação e refrigeração do espaço a que pertencem. Normalmente são de cor branco fusco para haja uma distribuição uniforme da luz sem ocorrerem problemas de brilho. Átrios (g): nestas zonas dos edifícios, as aberturas no teto podem ter formas piramidais ou de grandes cúpulas que permitem um grande aproveitamento da luz natural. Como estes dispositivos tem grandes áreas, utilizam-se materiais com transmissividade baixa (10-25%) para não haver brilho excessivo dentro destes edifícios. Normalmente, usam-se painéis translúcidos de fibra de vidro de alta difusão que são adequados para o aproveitamento da luz natural difusa, mesmo sob sol direto. [2] Figura 9: Diferentes configurações de sistemas convencionais para aproveitamento de luz natural. [2] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 14 Existem ainda muitas outras combinações para além das suprarreferidas, com as mais variadas proteções solares. Estas proteções, normalmente com possibilidade de ajuste, ajudam a corrigir problemas associados ao aumento do brilho em determinados momentos do dia, mantendo o conforto visual aos seus ocupantes. [2] 1.4.3. Sistemas não-convencionais Existem hoje em dia, alguns sistemas de captação de luz natural que a captam de forma mais eficiente que os usuais, porém, dada a sua complexidade de aplicação, não são muito utilizados. Estes sistemas podem ser pequenas adaptações a sistemas já conhecidos ou até , novos conceitos, com estruturas completamente diferentes dos habituais. Palas horizontais e inclinadas combinadas com clerestório [3] Uma das aplicações mais usadas, como já se referiu, são as palas horizontais. Fazendo um estudo mais pormenorizado do local onde se situa o edifício e da variação da posição do Sol durante o ano, pode-se dimensionar e aplicar um sistema de palas que consiga redirecionar a luz natural para o teto para que não haja incidência direta do Sol nos ocupantes. Estas palas podem ter muitas variantes: horizontais, inclinadas, planas ou curvas, situadas no interior e/ou exterior da janela quando combinadas com um clerestório. Figura 10: Aplicação de palas horizontais e inclinadas num clerestório. [3] Figura 11: Variantes da aplicação de palas horizontais. [3] Quando bem dimensionadas, permitem diminuir consideravelmente os ganhos térmicos no Verão, minimizando o risco de brilho intenso, mantendo, ainda assim, o conforto visual dos seus ocupantes. A superfície da pala deve ser o mais refletora possível. Pode ser mate, brilhante ou especular, sendo este último a melhor opção por ser a mais refletora. O grau de especularidade do teto Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 15 também tem uma grande importância nesta aplicação. Quanto mais refletor for o teto maior será o aproveitamento da luz natural refletida na pala. A cor e o declive do teto também têm um papel importante na distribuição e na profundidade de alcance da luz. Sistemas “anidoliques” [3] Os sistemas “anidoliques” utilizam espelhos curvos (parabólicos ou elípticos) para captar a luz natural e levá-la para zona profundas de uma sala. São projetados para fazerem o aproveitamento da luz difusa do céu. Quando há incidência de luz direta, existem proteções solares que previnem o aparecimento de brilho intenso. Aqui, as propriedades do teto também tem um papel fundamental na distribuição da luz – quanto mais refletor for mais eficiente é o aproveitamento luminoso. Figura 12: Sistema “anidolique”. [5] Condutas solares [3] Estes dispositivos permitem transmitir a radiação direta do Sol para o interior de um edifício. A transmissão pode ser feita por espelhos, lentes, fibras óticas, prismas refletores, cabos em acrílico, ou condutas ocas com as faces interiores refletoras – tubo de luz. Sobre este último se falará com mais pormenor no capítulo respetivo. Os raios luminosos podem ser encaminhados para uma determinada superfície ou então difundida num certo espaço, obtendo-se uma distribuição mais homogénea embora menos intensa. Parapeitos das janelas refletores [3] A utilização de materiais refletores nos parapeitos das janelas permite que os raios solares que os incidem sejam aproveitados ao refleti-los para o interior do espaço. Estes podem ser aplicados com inclinações diferentes, consoante o trajeto que o Sol faz relativamente à janela, podendo assim refletir o máximo de luz possível. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 16 Figura 13: Exemplo de parapeitos refletores. [3] Estores refletores [3] Funcionam segundo o mesmo principio que os parapeitos refletores. Ao usar materiais refletores nos estores, estes redirecionam os raios solares para o teto, espalhando a luz o mais uniforme possível. A inclinação das lâminas dos estores pode variar conforme a posição do Sol, maximizando-se o aproveitamento da luz natural. Existe, ainda, a possibilidade de combinar várias inclinações das lâminas para o mesmo momento, permitindo sombrear e iluminar zonas diferentes do espaço. Figura 14: Estores refletores com lâminas com diferentes inclinações. [3] Vidros direcionais [3] Hoje em dia, já existem vidros disponíveis no mercado que permitem alterar a trajetória dos raios solares quando estes os atingem. Normalmente, estão configurados para os direcionar para o teto, mais uma vez, com objetivo de levar a luz para as zonas mais profundas. Figura 15: Exemplo de vidro direcionais. [3] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 17 2. Tubos de luz Neste capítulo aborda-se com maior detalhe o dispositivo central de estudo deste trabalho. Serão caracterizados os seus diferentes componentes e apresentados alguns exemplos da sua aplicação. 2.1. Componentes Os tubos de luz são dispositivos que permitem levar a luz natural para espaços interiores onde esta não é capaz de alcançar, como zonas distantes de janelas ou claraboias, ou até mesmo espaços sem qualquer abertura para o exterior. Conforme referido, a quantidade de luz natural existente num certo lugar é um fator importante para qualidade e conforto visual do ser humano. Quando este conforto não é conseguido, provoca frequentemente, no ser humano, alterações comportamentais que não são de todo desejáveis. Por isso é relevante conseguir-se obter um maior proveito desta fonte de luz, não só pelo ponto de vista humano, como também na ótica da redução do consumo de energia associada a iluminação artificial. [6] Na sua forma genérica, um tubo de luz é constituído por um dispositivo de captura de luz – elemento coletor -, uma conduta refletora que transporta a luz para o interior de um edifício – o tubo propriamente dito-, e um difusor, tal como sugere é o elemento que difunde a luz uniformemente pela zona a iluminar. [6] Figura 16: Exemplo de tubo de luz vertical. [7] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 18 De uma forma geral, pode-se apresentar dois tipos de tubos de luz: horizontais e verticais. [2] No entanto, nem sempre é possível a aplicação de tubos completamente verticais, nomeadamente, em telhados inclinados (figura 17), que são consideram verticais apesar de conterem pequenas inclinações. Nesta situação, uma solução comum é colocar-se uma curva numa zona intermédia do tubo, ficando a sua parte superior orientada segundo a inclinação do telhado (figura 17). [8] Figura 17: Tubo de luz vertical não retilíneo. [8] 2.1.1. Elemento coletor Existem atualmente vários tipos de sistemas e geometrias de coletores tanto para tubos verticais como para horizontais. Nos tubos horizontais existem por norma sistemas deflectores para redirecionar a luz para o interior da conduta. Exemplo disso é a utilização de “Laser Cut Panels” (LCP) - estes permitem deflectir os raios de grande altura solar dando-lhes a direção do eixo da conduta. Assim, o número de reflecções na parede da conduta será menor, reduzindo as perdas de intensidade, logo com uma maior eficiência no aproveitamento da luz natural. [9] Figura 18: Esquema que demonstra a aplicação de LCP num tubo de luz horizontal. [9] Os LCP são fabricados em acrílico transparente aos quais são aplicados cortes paralelos com laser; cada corte torna-se num espelho deflector de radiação perpendicular ao painel, como se mostra na figura acima. [9] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 19 Nos tubos verticais normalmente utilizam-se cúpulas: esféricas ou prismáticas. Estas são normalmente feitas com materiais muito transparentes para deixarem passar a maior quantidade de luz possível. [10] A maior parte destas cúpulas são construídas em acrílico, mas também existem algumas em policarbonato – embora seja cerca de 10% menos transparente, é bastante mais resistente que o acrílico. Esta característica é importante, pois, estando a cúpula no exterior, confere-lhe maior resistência às diferentes condições atmosféricas (chuva, sol e poeiras). [6] A diferença entre os dois tipos de cúpula está na eficiência de captação de luz natural para diferentes alturas solares. As prismáticas, tendo o mesmo princípio de funcionamento que os LCP - redirecionar os raios solares de ângulos de incidência baixos e médios -, são mais eficientes durante a manhã e o final da tarde. As esféricas têm o comportamento contrário, são mais eficientes a meio do dia, quando o Sol se encontra a alturas solares elevadas onde os raios solares não necessitem de serem redirecionados. [9][6] Figura 19: Cúpula prismática. Figura 20: Cúpula esférica. Existem um outro tipo de coletor que utiliza helióstatos para redirecionar a luz solar para o interior do tubo. Este helióstato é constituído por dois espelhos refletores. O primeiro, acionado por um sistema mecânico, é orientado segundo o ângulo azimute do Sol. Este concentra e reflete a luz solar para o segundo refletor. O segundo refletor tem como fim redirecionar a luz segundo o eixo da conduta refletora. [11] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 20 Figura 21: Helióstato. [11] 2.1.2. Conduta refletora A conduta refletora, ou o tubo propriamente dito, existe na forma circular ou quadrangular. Estas são feitas num material refletor por forma a não se perder a intensidade dos raios solares que atingem a superfície interna do tubo. Nas condutas refletoras pode-se distinguir duas variantes: uma que se foca apenas em transportar a luz do coletor até à zona de extração e outra que transporta e transfere a luz ao logo do comprimento do tubo. Assim, na primeira variante é necessário ter um material altamente refletor, enquanto no segundo, para além de refletor, tem de ser transparente, para deixar a luz passar ao longo da conduta. [9][11] Das diferentes configurações possíveis, apenas são apresentadas soluções como fibras óticas, tubos ocos prismáticos, utilização de lentes ou espelhos. A fibra ótica permite ter uma grande eficiência visto conseguir transportar a luz por reflecção interna total. No entanto tem duas grandes limitações: a primeira, e certamente a mais importante, é o seu custo; a segunda, a grande dificuldade em concentrar a luz numa pequena abertura. Para ultrapassar estes problemas, têm sido estudadas novas abordagens, nomeadamente através da utilização de concentradores luminescentes que absorvem a luz solar e a emitem como luz fluorescente, transportando-a noutros materiais mais baratos do que a fibra ótica. [9] Tubos ocos prismáticos são dispositivos com a superfície em acrílico transparente que em certos ângulos de incidência conseguem transportar a luz com 100% de reflecção. Para os restantes ângulos de incidência, a luz é transferida. Desta forma, permitem transportar e transferir a luz ao longo do comprimento do tubo. Está provado que o uso de lentes é capaz de manter concentrado um feixe de luz dadas as suas propriedades de transmissão. Estas lentes são colocadas perpendicularmente ao eixo do tubo, necessitando, por isso, de ter um bom sistema coletor de luz solar. No entanto, são sistemas caros e exigem grande precisão na sua montagem. [9] Outra solução é utilização de espelhos que, embora possuam refletividades entre 85 e 98%, são uma opção barata. Estes, como transportam a luz através de múltiplas reflecções Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 21 especulares, necessitam de ser combinados com sistemas de redirecção da luz (por exemplo LCP) para conseguirem ter boa eficiência. [9] 2.1.3. Elemento emissor O elemento emissor ou difusor tem como função distribuir a luz o mais uniforme possível no espaço onde se encontra o tubo de luz instalado. A sua propriedade mais importante é a transparência, ou transmissividade, que indica a quantidade de luz incidente que atravessa o material. Por norma, utilizam-se difusores em acrílico ou policarbonato, de cor clara ou opaca, podendo a superfície ser lisa ou com vários tipos de relevo. [6] Está comprovado que os difusores claros são capazes de distribuir a luz com maior eficiência. [12] Figura 22: Difusores. [6] Figura 23: Outros tipos de difusores. [13] Sobre os difusores aplicados a tubos de luz, existe pouca literatura que os descreve e caracteriza, todavia, é possível apresentar alguns exemplos de sistemas que divergem do modelo geral de tubos de luz, quer para horizontais quer verticais. Exemplos esses estão apresentados no subcapítulo 2.2. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 28 Disponibiliza uma biblioteca bastante completa com catálogos de luminárias e lâmpadas distintas de diversos fornecedores, para além de uma grande variedade de objetos e texturas que permitem aproximar a simulação o mais possível da realidade. [15] Como se constata, os programas DIALUX e RELUX tem características muito semelhantes. Entre os dois, para este trabalho, o software escolhido foi o DIALUX pois, não só, a título pessoal, se revelou ser mais intuitivo e de fácil utilização, como também faculta uma saída de resultados compatível com a fornecida pelo HOLIGILM (software escolhido para simulação de tubos de luz). Figura 30: Interface do DIALUX. [21] 3.1.2. Iluminação natural de tubos de luz Jenkis-Muneer O modelo de Jenkis-Muneer, resumidamente, está organizado em duas etapas: primeiro calcula o fluxo luminoso no difusor e, posteriormente, a partir do fluxo luminoso calculado, estima a iluminância num ponto a uma distância qualquer do difusor de grande transparência. De notar que este modelo é válido para tubos verticais retilíneos e não retilíneos. [12] A determinação do fluxo luminoso é feita a partir da iluminância existente no exterior, das dimensões do tubo, da configuração da curva, se existir. Para o cálculo da iluminância, este modelo necessita de ter caracterizada a posição do tubo de luz como, também, as coordenadas do ponto onde se pretende prever esta grandeza. [1] Este modelo está limitado ao tipo de difusor pois, no cálculo do fluxo luminoso, a partir de dados recolhidos experimentalmente, foi deduzida uma expressão que relaciona as dimensões do tubo, diâmetro e comprimento, com a transmissividade total do tubo, ou seja, a transmissividade combinada da cúpula e difusor. [22] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 29 Zhang-Muneer O modelo de Zhang-Muneer é, igualmente, um método semi-empírico, que a partir de medições de iluminância, ao longo de vários meses, provenientes de tubos de luz de 0.21, 0.33,0.45 e 0.53 metros de diâmetro, com comprimentos entre 0.6 e 1.2 metros, é gerada uma expressão aproximada que permite calcular um fator de penetração de luz natural num dado dia – “Daylight Penetration Factor” ou DPF. Este fator corresponde à percentagem de iluminância existente no exterior, direta e difusa, que é obtida numa certa posição no interior do espaço onde o tubo de luz está instalado. [12][23] Existe a possibilidade de se utilizar este método em tubos com dimensões diferentes, assim como também em tubos não retilíneos, necessitando para tal duas variáveis extra: correspondente valor a “n” curvas de 30º e um fator de perda de energia (“energy-loss factor”) deduzido a partir de medições realizadas. [12] Este método, ao contrário do anterior, tem a vantagem de levar em conta o dia em estudo, ao exigir o valor da altitude solar e do índice de claridade do céu como variáveis da expressão deduzida. [24] A limitação deste modelo, à semelhança do anterior, é o tipo de difusor usado, sendo neste caso usado um material opaco, que gera iluminação menos intensa. [23] Tsangrassoulis Proposto por Aris Tsangrassoulis da Universidade de Atenas, este modelo faz uma abordagem mais teórica de prever a iluminância num ponto sabendo a luminância que passa pelo difusor e a respetiva distância entre estes. O modo de cálculo da luminância no difusor parte de dados recolhidos que estimam a transmissividade de um tubo de determinado comprimento e a transparência de coletores e difusores. [23] The SkyVision software Este software, desenvolvido pelo Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, é uma ferramenta que permite simular diversos tipos de sistemas de aproveitamento de luz solar, incluindo tubos de luz. A partir de uma grande variedade de parâmetros necessários introduzir no programa, não só relativamente aos tubos de luz, mas também sobre o espaço onde vai ser colocado, ele é capaz de reproduzir resultados bastante interessantes. Vários modelos de céu estão também à disposição do utilizador, podendo este software simular diferentes condições atmosféricas. Uma das suas limitações é o facto de não apresentar, detalhadamente, valores de iluminância para uma certa posição. Apenas fornece o resultado da iluminância média na zona do chão numa área específica. Infelizmente, durante a realização deste trabalho, nunca foi possível aceder a este software por nunca se ter encontrado disponível para acesso livre. [23] Holigilm software Este software parte de um modelo físico que permite calcular a resultante iluminação no interior de um espaço a partir de tubos de luz. Desta forma, tem em conta as propriedades de Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 30 transmissão da cúpula e do difusor como, também, o grau de refletividade do tubo propriamente dito. Relativamente à fonte luminosa, o software contabiliza a luminância proveniente do Sol e do céu, tendo à disposição vários modelos, alguns segundo a norma ISO 15469. Com base numa abordagem analítica, a partir dos modelos de céu anteriormente referidos e escolhendo o local e hora de um certo dia, permite calcular a iluminância resultante num dado plano de trabalho, definindo as suas dimensões e distância ao difusor do tubo de luz. [10] Após uma utilização breve deste programa, detetaram-se duas das limitações: uma, o fato de apenas ter disponível um tipo de tubo de luz – vertical retilíneo – e, outra, o não contabilizar os efeitos refletores da envolvente interior do espaço em análise. Ainda assim, foi este o software utilizado nas simulações do caso de estudo neste trabalho, por ter sido o único software disponível online nesta área. 3.2. Modelos de simulação de necessidades energéticas O elevado número de variáveis necessárias para determinar as necessidades energéticas de um edifício, como a sua geometria, propriedades físicas dos seus materiais, o clima onde se situa e sua tipologia, resulta num exercício de grande complexidade. De forma a obviar tais dificuldades, foram desenvolvidos vários softwares facilitando sua a modelação e simulação. De seguida é apresentada uma breve descrição de algumas destas ferramentas mais utilizadas na atualidade. ESP-r Este software permite analisar fatores de influência no desempenho energético e ambiental de um edifício. O seu cálculo baseia-se na análise de volumes finitos e conservação de energia, massa e quantidade de movimento tendo em conta as influências do clima, ocupação e sistema de controlo. Tem a capacidade de simular tecnologias inovadoras como utilização de iluminação e ventilação natural, distribuição de contaminantes, sistemas de geração de calor e eletricidade, painéis fotovoltaicos e adaptação de CFD transiente. A definição do edifício, no geral, consiste na caracterização da geometria, construção, cargas internas relativamente à ocupação, iluminação e equipamentos, ventilação e infiltrações e sistemas energéticos. Tem como desvantagem, o fato de ser um programa complexo, que exige elevados conhecimentos na área por forma a rentabilizar todas as suas funcionalidades. [25] EnergyPlus Esta ferramenta foi desenvolvida a partir de outros dois softwares existentes, DOE-2 e BLAST, embora apresente uma nova estrutura modular escrita na linguagem Fortran 90. Este não possui nenhuma interface pois apenas funciona como motor de simulação. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 31 Uma das vantagens é o fato da sua estrutura modular facilitar a integração de outras funcionalidades a partir da introdução de novos módulos, sem modificar o código base do EnergyPlus. A figura seguinte demonstra a forma como o EnergyPlus está organizado. Como se pode observar, é constituído por três grupos principais: - um gestor de simulação, que controla todo o processo de simulação; - um módulo de simulação de balanço energético e de massa baseado no software IBLAST –uma versão do BLAST com a possibilidade de integrar sistemas AVAC; - um simulador de sistemas de edifícios, sendo a sua função fazer a comunicação entre o módulo que faz o balanço térmico e outros módulos de sistemas AVAC, como por exemplo caldeiras, chillers, bombas e ventiladores. [26] Figura 31: Esquema do funcionamento do software EnergyPlus. [26] TRNSYS O TRNSYS é um software de simulação do comportamento de sistemas transientes. Enquanto a maioria de outros programas estão mais orientados na performance de sistemas elétricos e térmicos, o TRNSYS permite, ainda, ser usado para modelar outros tipos de sistemas dinâmicos. Isto é possível devido à sua estrutura modular, que reconhece uma linguagem de descrição de um sistema em que o utilizador especifica os componentes que o constituem, bem como a ligação entre eles. Esta ferramenta pode dividir-se em duas partes: - a primeira, é um motor (chamado de kernel) que lê e processa os dados de entrada, resolve o sistema de forma iterativa, determina a convergência e apresenta os resultados em várias formas (por exemplo gráficos ou tabelas). Permite ainda determinar as propriedades termofísicas, inverter matrizes, realizar regressões lineares e interpolações. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 32 - a segunda parte, diz respeito a uma biblioteca extensa de componentes com cerca de 150 modelos que vão desde bombas, turbinas eólicas, processadores de dados meteorológicos como também equipamentos AVAC, desde os mais básicos aos mais inovadores. Das suas possíveis aplicações, as principais são: sistemas de ar condicionado e ventilação, sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, e sistemas de cogeração de energia. Uma das vantagens da sua natureza modular é permitir a introdução de outros modelos matemáticos não existentes na sua biblioteca padrão de uma forma flexível. Para uma correta utilização do programa, seria necessário despender de algum tempo a estudar todas as suas ferramentas e potencialidades, porém, devido aos limites temporários estipulados para a concretização da presente investigação tal não é possível. Ainda assim, este foi o software utilizado por haver na instituição onde este trabalho foi desenvolvido, pessoas com conhecimentos e destreza necessária que se disponibilizaram a apoiar a realização das simulações previstas, concluindo-se o trabalho no tempo previsto. [27] 3.3. Modelo de sobreposição de várias fontes luminosas Um dos problemas identificados na realização deste trabalho foi a inexistência de softwares que permitissem simular simultaneamente iluminação natural proveniente de janelas, com a resultante de tubos de luz e a iluminação artificial. Assim, para o ultrapassar foi necessário perceber de que forma se poderia fazer a sobreposição destes diferentes efeitos luminosos. Para o efeito, foram realizados vários testes, cujo objetivo era compreender a forma como dois programas distintos, DIALUX e HOLIGILM, realizam este cálculo. Foi então utilizado um método puramente empírico que consistia em três etapas: - escolher duas fontes de luz e simulá-las individualmente no software; - simular as duas fontes de luz em simultâneo; - perceber que relação havia entre a simulação das duas fontes individuais com a simulação das duas fontes em simultâneo. Este procedimento foi aplicado no programa DIALUX, para as seguintes configurações de fontes de luz: - uma janela horizontal e outra vertical; - duas luminárias iguais; Conclui-se que se pode considerar que o DIALUX soma os efeitos luminosos das duas fontes de luz individuais porque, fazendo a comparação entre os resultados obtidos somando as simulações das duas fontes de luz individuais com os valores conseguidos através da simulação feita com as duas fontes de luz em simultâneo, as diferenças achadas entre eles nunca atingiram 1% da simulação com as duas fontes de luz em simultâneo (resultados podem ser vistos no Anexo A). No programa HOLIGILM, aplicou-se exatamente o mesmo procedimento a dois tubos de luz colocados em posições diferentes. Constatou-se que o resultado foi o mesmo que no DIALUX Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 33 – o programa soma os efeitos individuais de cada fonte de luz. Neste caso o erro nunca superou o valor de 0,1%. Assim e atento ao fato de este trabalho se tratar de um estudo exploratório, considerou-se pouco relevante o erro de 1%, pelo que, se optou por adotar este método de sobreposição de várias fontes luminosas aqui demonstrado. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 34 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 35 4. Caso de estudo O caso de estudo aqui proposto resume-se à verificação e quantificação da redução do consumo energético a partir da utilização de tubos de luz com o intuito de melhorar o aproveitamento da luz natural num certo espaço interior. Este, pertence a um edifício de escritórios genérico, com apenas uma fachada para o exterior e uma janela. Esta configuração está representada na figura seguinte. Figura 32: Ilustração do posicionamento da sala no edifício. [28] O escritório em causa posiciona-se numa zona central do edifício, como representa a figura anterior, reduzindo desta forma o número de variáveis influenciáveis no consumo energético no que toca à climatização, pondo em destaque apenas o efeito da redução de iluminação artificial proveniente da instalação de tubos de luz. Na verdade, neste estudo, abordaram-se cinco salas que apenas se diferenciam sua profundidade, por ser este um parâmetro dimensional determinante no conforto visual dos ocupantes quando se analisa a luz natural proveniente de janelas. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 36 4.1. Caracterização do caso de estudo Como já se fez menção, este trabalho tem como objetivo determinar as reduções do consumo energético com a aplicação de tubos de luz. Assim, esta análise centrou-se na redução de utilização de iluminação artificial, posteriormente, na consequente influência nas necessidades térmicas de aquecimento e arrefecimento (climatização) e por último, no consumo energético total. O edifício de escritórios localiza-se na cidade do Porto, sendo apenas analisado um tipo de escritório: forma de um paralelepípedo com a fachada exterior orientada a Sul - quatro metros de largura e três de altura contendo uma janela no centro. A profundidade foi definida segundo a norma EN 15193 – “Energy performance of buildings – Energy requirements for lighting”. Esta norma define uma forma de cálculo da profundidade máxima que a luz natural consegue alcançar a partir de uma janela de uma fachada exterior. [29] Um fator importante a ter em conta é a reflexão da envolvente interior do escritório. Para o efeito, foi utilizada a norma EN 12461- “Light and lighting - Lighting of work places - Part 1: Indoor work places”. Nesta norma encontram-se diferentes intervalos de grau de reflexão para cada tipo de elemento interior: - paredes: limite inferior de 30% e superior de 80%; - teto: limite inferior de 60% e superior de 90%; -chão: limite inferior de 10% e superior de 50%. [30] No respeitante à janela, estabeleceu-se as suas dimensões e propriedades: dois metros de largura e um metro de meio de altura com um grau de transmissividade de 90%. Para a obtenção dos resultados nos softwares de simulação, foi necessário criar um plano de trabalho para definir a área de análise. Para tal, foi consultada a norma EN 13779, “Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems”, que sugere uma forma de caracterizar a “zona ocupada”, estabelecendo valores típicos da distância entre diferentes tipos de superfícies do espaço e a referida zona ocupada. [31] A distinção entre iluminação suficiente e insuficiente para os ocupantes do escritório foi conseguida através da definição de um limite mínimo de iluminância. Através da nova consulta à norma EN 12461, constatou-se que esta propõe um valor de 500 lux para um escritório cuja atividade dos seus ocupantes é ler, escrever e trabalhar no computador. [30] 4.2. Caracterização do espaço interior Como já se fez referência, a definição das profundidades das salas foi determinada segundo a norma EN 15193. Esta propõe a seguinte forma de cálculo da profundidade de alcance máximo da luz natural, aD,máx,: ( ) Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 37 - em que a diferença hLi – hTa se refere à altura da janela da fachada exterior. [29] Tendo as dimensões da janela definidas (dois metros de largura e um metro e meio de altura), conseguiu-se obter o resultado de 3,75 metros de máxima profundidade de luz natural. Tendo este valor por base, estabeleceram-se as profundidades das cinco salas em análise: a mais pequena dada pela norma, a maior com o dobro da definida pela norma, e, nas restantes assumiram-se valores intermédios. Assim, chegou-se à tabela 3 com os diferentes comprimentos das salas em estudo: Tabela 3: Valor da profundidade de cada sala em estudo. Sala Profundidade (L) [m] 1 3,75 2 4,69 3 5,63 4 6,57 5 7,50 Na figura 33 mostra-se um esquema das dimensões dos vários escritórios. Figura 33: Esquema das dimensões das diferentes salas em estudo. Relativamente às características das paredes, chão e teto, como já foi referido no subcapítulo anterior, levou-se em linha de conta os intervalos sugeridos pela norma EN 12461. Os valores utilizados foram os já pré-definidos no DIALUX, e, como se pode observar na tabela 4, encontram-se dentro dos intervalos sugeridos pela referida norma. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 44 Tabela 12: Perfil de iluminação artificial para o dia 21 de Julho com céu limpo. Neste caso, verifica-se que é necessário ter a luminária 4 sempre ligada e a 3 durante o início e fim do dia. Já no dia 21 de Dezembro, também com céu limpo, a distribuição de luminárias ligadas ao longo do dia muda radicalmenteTabela 13: Perfil de iluminação artificial para o dia 21 de Dezembro com céu limpo. A diferença encontrada resulta do fato de no mês de Julho a iluminância proveniente do Sol ser mais intensa que em Dezembro; todavia, em Julho, como o Sol atinge alturas superiores a meio do dia, torna-se mais complicado a luz chegar a zonas de maior profundidade. 4.6. Simulação da distribuição da iluminância a partir de tubos de luz Nesta simulação foi usado o software HOLIGILM que nos permite obter a distribuição de iluminância proveniente de um ou mais tubos de luz num espaço retangular. LUM. 1 LUM. 2 LUM. 3 LUM. 4 8h OFF OFF ON ON 9h OFF OFF ON ON 10h OFF OFF ON ON 11h OFF OFF ON ON 12h OFF OFF OFF ON 13h OFF OFF OFF ON 14h OFF OFF OFF ON 15h OFF OFF OFF ON 16h OFF OFF OFF ON 17h OFF OFF ON ON 18h OFF OFF ON ON LUM. 1 LUM. 2 LUM. 3 LUM. 4 8h ON ON ON ON 9h OFF OFF ON ON 10h OFF OFF OFF ON 11h OFF OFF OFF ON 12h OFF OFF OFF OFF 13h OFF OFF OFF OFF 14h OFF OFF OFF ON 15h OFF OFF OFF ON 16h OFF OFF ON ON 17h ON ON ON ON 18h ON ON ON ON Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 45 A caracterização do espaço está limitada às suas dimensões e orientação relativamente aos pontos cardeais. Da mesma forma que no DIALUX, é possível criar um cenário de luz com o mesmo tipo de variáveis: hora, dia, mês e tipo de céu; sendo que para este último parâmetro, o software HOLIGILM apresenta opções diferentes. Assim, para dia de céu limpo escolheu-se o modelo de céu “CIE Clear polluted, urban”; para dia de céu encoberto optou-se pelo o modelo “CIE Overcast”. Relativamente às propriedades do tubo de luz, este é caraterizado pela transparência da cúpula, diâmetro, comprimento e grau de reflexão interna do tubo, e transparência do difusor. Quanto às propriedades físicas da cúpula, tubo e difusor, foram escolhidas segundo dados fornecidos pela Chatron – empresa vendedora destes dispositivos (catálogos encontram-se no anexo B). Os valores estão resumidos na tabela 14. Tabela 14: Propriedades dos componentes do tubo de luz utilizado. Transparência da Cúpula 90% Reflectância interior do Tubo 98% Transparência do Difusor 92% Quanto às dimensões do tubo, foi escolhido um diâmetro de 530mm, um dos modelos da empresa Chatron, com um metro de comprimento. A única variável em falta é o posicionamento do(s) tubo(s) no interior da sala. O critério adotado para a definição da posição do(s) dispositivo(s), meramente empírico, teve como objetivo mínimo, para a condição mais favorável, ou seja, no dia 21 Junho com céu limpo, haver pelo menos uma hora em que não fosse necessário iluminação artificial. Assim, este processo acabou por ser um pouco iterativo tendo por base as seguintes considerações: - observar os resultados obtidos para a distribuição de iluminação natural e estimar, para cada sala, qual seria a posição mais favorável para colocação de um tubo de luz; - testar a posição anteriormente referida, adicionando um tubo de luz, tendo em conta o objetivo mínimo anteriormente referido; Depois de alguns testes, chegou-se à conclusão que o objetivo mínimo não era possível de ser cumprido na sala 4 e 5. Assim sendo, decidiu-se introduzir um segundo tubo de luz para as referidas salas, mantendo para o primeiro tubo de luz a posição obtida na sala 3. O posicionamento do segundo tubo de luz foi realizado segundo o mesmo procedimento descrito anteriormente mas tendo em conta a contribuição do primeiro tubo de luz. Desta forma, o posicionamento do(s) tubo(s) de luz foi determinado para cada sala apresentando-se na tabela seguinte a 15 da respetiva posição a partir da janela. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 46 Tabela 15: Posicionamento dos tubos de luz para as diferentes salas em estudo. Sala Posicionamento do Tubo de luz nº 1 [m] Posicionamento do Tubo de luz nº 2 [m] 1 2,00 - 2 2,50 - 3 3,50 - 4 3,50 5,00 5 3,50 5,00 Como se pode observar, bastou o posicionamento dos tubos de luz da sala 4 para cumprir o objetivo mínimo na sala 5. 4.7. Método de cálculo dos perfis de iluminação artificial com a contribuição do tubo de luz Mais uma vez foram simuladas as distribuições de iluminância nos dias em estudo para as cinco salas utilizando o programa HOLIGILM. Os dados, depois de tratados e reformulados para a mesma configuração que o DIALUX fornecia, foram somados com os valores de iluminância provenientes apenas da janela. Para determinar os perfis de iluminação artificial, não sendo possível introduzir no DIALUX os dados recolhidos no HOLIGILM, foi necessário calcular, individualmente, as distribuições de iluminância de cada luminária para cada uma das salas, sem contabilizar o efeito da luz natural da janela, a partir do DIALUX. Deste modo, depois de somar a iluminância oriunda da janela com a proveniente do(s) tubo(s) de luz, adotou-se o método descrito anteriormente na verificação do limite de 500 lx imposto pela norma EN 12461. De seguida é mostrado, para o dia 21 de Julho com céu limpo, na sala 2, às 10 horas - o mesmo dia exemplificado no cálculo dos perfis de iluminação artificial sem tubo(s) de luz - a descrição deste procedimento. Assim, apresenta-se na tabela 16 a distribuição de iluminância apenas da luz da janela para o dia em questão. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 47 Tabela 16: Distribuição de iluminância proveniente da janela às 10h do dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. A tabela 17 refere-se aos ganhos luminosos provenientes do tubo de luz às 10 horas, no dia 21 de Julho, céu limpo, para a sala 2. Tabela 17: Distribuição de iluminância proveniente do tubo de luz às 10h do dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. Chegando aos resultados dos efeitos provenientes da janela e do tudo de luz em separado, procedeu-se à soma desses mesmos valores. A tabela 18 é demonstrativa do resultado deste cálculo. Tabela 18:Distribuição de iluminância resultante depois de somar os efeitos provenientes da janela e do tubo de luz. 3,5 914 784 661 541 462 407 343 297 263 231 214 196 184 3,25 991 808 672 542 466 405 340 293 260 229 211 192 188 31087 843 688 558 469 397 345 297 254 226 208 188 186 2,75 1133 862 689 566 449 388 336 303 251 222 208 185 183 2,5 1121 862 701 537 444 375 322 287 252 220 204 185 184 2,25 1099 828 668 531 433 366 322 279 244 214 199 183 178 21005 777 633 513 417 358 297 268 237 207 190 182 172 1,75 916 703 582 468 393 330 291 259 229 202 191 180 172 1,5 787 621 524 424 358 309 279 251 221 198 186 168 168 1,25 657 549 459 398 328 289 261 240 210 188 180 161 160 1538 460 407 352 308 273 247 225 201 186 173 159 158 0,75 430 388 357 310 281 258 231 207 192 176 166 157 154 0,5 348 343 316 294 267 246 219 202 187 170 159 150 146 m 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 MÉDIA 848,2 679,1 565,9 464,2 390,4 338,5 294,8 262,2 230,8 205,3 191,5 175,8 171,8 OFF OFF OFF ON ON ON ON ON ON ON ON ON ON 10h 3,5 319,7 372,2 425,4 475,1 516,1 543,3 553 543,7 516,8 476 426,5 373,3 320,7 3,25 372,3 438,9 507,5 572,5 627 663,6 676,7 664,1 628 573,8 508,8 440,2 373,5 3425,7 507,7 593,6 676,4 746,5 794,1 811,2 794,7 747,7 677,8 595,2 509,2 427 2,75 475,5 573 676,6 777,8 864,7 924 945,3 924,7 866 779,5 678,3 574,6 477 2,5 516,8 627,7 747,1 865 967 1037 1062 1038 968,3 866,6 748,8 629,3 518,2 2,25 544,3 664,6 795 924,7 1038 1115 1144 1116 1039 926,1 796,5 666 545,5 2554,1 677,8 812,4 946,4 1063 1144 1173 1144 1064 947,4 813,5 679 555,1 1,75 544,9 665,4 796 925,9 1039 1117 1145 1117 1039 926,5 796,7 666,1 545,6 1,5 518 629,2 749 867,1 969,3 1039 1064 1039 969,4 867,3 749,2 629,6 518,3 1,25 477,1 574,9 679 780,5 867,5 926,7 947,7 926,6 867,3 780,4 678,9 574,9 477,2 1427,4 509,8 596,1 679,2 749,5 797 813,7 796,8 749,2 678,9 595,8 509,6 427,3 0,75 374 441 509,9 575,3 629,8 666,3 679,1 666,1 629,5 574,9 509,6 440,7 373,8 0,5 321,3 374,1 427,6 477,5 518,6 545,7 555,2 545,6 518,3 477,1 427,2 373,8 321,1 m 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 MÉDIA 451,6 542,8 639,6 734,1 815,1 870,2 890,0 870,5 815,6 734,8 640,4 543,6 452,3 10h 3,5 1233,7 1156,2 1086,4 1016,1 978,1 950,3 896 840,7 779,8 707 640,5 569,3 504,7 3,25 1363,3 1246,9 1179,5 1114,5 1093 1068,6 1016,7 957,1 888 802,8 719,8 632,2 561,5 31512,7 1350,7 1281,6 1234,4 1215,5 1191,1 1156,2 1091,7 1001,7 903,8 803,2 697,2 613 2,75 1608,5 1435 1365,6 1343,8 1313,7 1312 1281,3 1227,7 1117 1001,5 886,3 759,6 660 2,5 1637,8 1489,7 1448,1 1402 1411 1412 1384 1325 1220,3 1086,6 952,8 814,3 702,2 2,25 1643,3 1492,6 1463 1455,7 1471 1481 1466 1395 1283 1140,1 995,5 849 723,5 21559,1 1454,8 1445,4 1459,4 1480 1502 1470 1412 1301 1154,4 1003,5 861 727,1 1,75 1460,9 1368,4 1378 1393,9 1432 1447 1436 1376 1268 1128,5 987,7 846,1 717,6 1,5 1305 1250,2 1273 1291,1 1327,3 1348 1343 1290 1190,4 1065,3 935,2 797,6 686,3 1,25 1134,1 1123,9 1138 1178,5 1195,5 1215,7 1208,7 1166,6 1077,3 968,4 858,9 735,9 637,2 1965,4 969,8 1003,1 1031,2 1057,5 1070 1060,7 1021,8 950,2 864,9 768,8 668,6 585,3 0,75 804 829 866,9 885,3 910,8 924,3 910,1 873,1 821,5 750,9 675,6 597,7 527,8 0,5 669,3 717,1 743,6 771,5 785,6 791,7 774,2 747,6 705,3 647,1 586,2 523,8 467,1 m 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 MÉDIA 1299,8 1221,9 1205,6 1198,3 1205,5 1208,7 1184,8 1132,6 1046,4 940,1 831,8 719,4 624,1 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF 10h Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 48 Como se observa, ao longo da profundidade da sala, a iluminância mantem-se superior a 500 lx. Desta forma, não é necessário somar a contribuição da iluminação artificial. Nos casos em que os dois efeitos luminosos naturais não são suficientes, seria preciso somar a contribuição de luminárias, começando-se pela mais distante, sucessivamente, até à mais próxima da janela. A tabela 19 mostra o resultado do perfil de iluminação artificial ao longo do referido dia. Tabela 19: Perfil de iluminação artificial obtido no dia 21 de Julho com céu limpo para a sala 2. Para comparação, apresenta-se a tabela 20, com o resultado obtido para a mesma sala, no dia 21 de Dezembro, com céu limpo. Tabela 20: Perfil de iluminação artificial obtido no dia 21 de Dezembro com céu limpo para a sala 2. LUM. 1 LUM. 2 LUM. 3 LUM. 4 8h OFF OFF OFF ON 9h OFF OFF OFF OFF 10h OFF OFF OFF OFF 11h OFF OFF OFF OFF 12h OFF OFF OFF OFF 13h OFF OFF OFF OFF 14h OFF OFF OFF OFF 15h OFF OFF OFF OFF 16h OFF OFF OFF ON 17h OFF OFF OFF ON 18h OFF OFF OFF ON LUM. 1 LUM. 2 LUM. 3 LUM. 4 8h ON ON ON ON 9h OFF OFF ON ON 10h OFF OFF OFF ON 11h OFF OFF OFF OFF 12h OFF OFF OFF OFF 13h OFF OFF OFF OFF 14h OFF OFF OFF OFF 15h OFF OFF OFF ON 16h OFF OFF ON ON 17h ON ON ON ON 18h ON ON ON ON Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 49 4.8. Simulação das Necessidades Térmicas de um sistema de climatização Para a simulação das necessidades térmicas utilizou-se o software TRNSYS, onde foram introduzidos os perfis de iluminação artificial com e sem a introdução de tubos de luz. Esta simulação teve como objetivo compreender qual o efeito da instalação de tubos de luz no consumo energético em sistemas de climatização. Assim, foram efetuadas duas simulações para cada sala, nas quais apenas se alteraram os perfis de iluminação artificial. As características da sala e outros parâmetros mantiveram-se constantes, podendo ser consultadas no anexo C. Por terem sido determinados dois perfis para o dia 21 de Julho e outros dois para 21 de Dezembro, fez-se corresponder, respetivamente, para a estação de arrefecimento e aquecimento, de forma a simular o uso de iluminação artificial durante um ano. Assim, o ano foi dividido entre a estação de Verão e Inverno, tendo em conta o que é sugerido no Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE) – para o local em questão, Porto, a duração da estação de aquecimento, ou seja, Inverno, é de 6,7 meses. [32] Como anteriormente se fez referência, para cada dia de estudo, foram definidos dois perfis: um de céu limpo e outro de céu encoberto. A sua utilização é feita consoante o índice de nebulosidade, disponibilizado pelo referido software, existente em cada hora. Para isso, foi usado o valor de 0,7 como limite entre céu limpo e encoberto. Resumindo, para cada hora do ano, o software verifica primeiro se é Verão ou Inverno e depois, em cada momento, se o céu está limpo ou encoberto. Figura 37: Esquema dos módulos utilizados na simulação no TRNSYS. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 50 A figura 37 mostra o esquema dos módulos utilizados na simulação das necessidades energéticas para os casos em estudo. O bloco “Sul” é responsável por calcular as necessidades térmicas de cada sala em estudo. Este tem em conta vários dados que são calculados pelos restantes blocos. O conjunto de blocos “Dados_climaticos”, “Prop_Ceu” e “Céu_Temp” permitem calcular as propriedades do ambiente para cada hora do ano, mais especificamente o fator de nebulosidade. Na calculadora “Ganhos_Int”, são especificados os ganhos internos associados aos equipamentos e iluminação artificial. Nos blocos “Inv_CN” (Inverno, céu encoberto), “Inv_SN” (Inverno, céu limpo), “Ver_CN” (Verão, céu encoberto) e “Ver_SN” (Verão, céu limpo), são descritos os perfis de iluminação artificial que foram determinados pelas simulações nos softwares DIALUX e HOLIGLIM. Quanto à segunda calculadora, “Ilumina”, verifica para cada hora em análise, se esta pertence à estação de Verão ou Inverno, e se nesse momento o céu está limpo ou encoberto. Assim, é responsável por transmitir ao bloco central, “Sul”, o perfil de iluminação correspondente. O bloco “Horários” determina cada hora do ano, tendo como hora zero, a meia-noite de dia 31 de Dezembro do ano anterior. Como nesta simulação não se teve em conta os dias correspondentes ao Sábado e Domingo, este bloco teve, também, como função fazer essa diferenciação. 4.9. Simulação do consumo energético anual em iluminação artificial O cálculo do consumo energético em iluminação artificial durante um ano foi feito seguindo a lógica descrita no subcapítulo anterior, ou seja, em cada hora, o perfil de iluminação artificial usado depende da nebulosidade e da altura do ano. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 51 5. Apresentação e discussão de resultados Neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos segundo os objetivos previstos para o caso de estudo deste trabalho. Esses, enunciados no capítulo anterior, resumem-se à determinação da influência da introdução de tubos de luz no consumo energético relativamente à iluminação artificial, ao sistema de climatização e a nível global. 5.1. Energia consumida em iluminação artificial Neste subcapítulo, o objetivo é avaliar o impacto da introdução de tubos de luz nas necessidades energéticas de um conjunto de espaços (5 salas) relativamente à iluminação artificial. Assim começou-se primeiro por avaliar as situações em que os espaços não têm qualquer sistema de iluminação natural exceto a janela orientada a sul; depois, executou-se o mesmo estudo, mas agora com a instalação de tubos de luz. Por fim, apresenta-se a devida poupança energética obtida simulando a utilização dos diferentes espaços durante um ano. 5.1.1. Iluminação artificial sem tubo(s) de luz Tendo todos os perfis de iluminação artificial já definidos, calculou-se a energia consumida para cada um deles. Assim, para proporcionar uma fácil leitura e uma melhor compreensão, os resultados obtidos são apresentados no gráfico da figura 38, que expressa o consumo energético para cada uma das cinco salas e por dia de estudo. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 52 Figura 38: Consumo energético para os dias e salas em estudo sem a contribuição de tubos de luz. Como se previa, o gráfico da figura 38 mostra claramente o aumento da utilização de energia à medida que a profundidade da sala aumenta, pelo fato de haver uma diminuição da penetração da iluminação natural proveniente da janela da sala. Facilmente se verifica que nos dias de céu limpo o aproveitamento luminoso é superior aos dias de céu encoberto, sendo Julho o mês mais favorável. Percebe-se que nos dias 21 Julho de céu limpo e de céu encoberto, na sala mais pequena, os valores são praticamente iguais. O fato de a sala ser de pequenas dimensões explica esta igualdade, visto que facilmente se consegue ultrapassar o limite de iluminância previamente estipulado, durante praticamente todo o dia, com apenas uma luminária ligada. Porém, com a utilização de um reóstato que automaticamente se ajuste à iluminância existente, essa igualdade seria desfeita - a iluminância de um dia de céu limpo é sempre superior a um dia de céu encoberto. Constata-se ainda na primeira sala que, contrariamente às outras, no dia 21 de Dezembro com céu limpo, usa-se mais energia do que no dia 21 de Julho com céu encoberto. Em Dezembro, o ângulo solar não atinge valores muito altos, permitindo que a luz chegue a uma profundidade maior e, assim, melhore a eficiência do aproveitamento da luz natural. Todavia, essa profundidade é alcançada durante poucas horas; logo, a poupança que daí advém não é suficiente para combater a quantidade de luminárias ligadas que são necessárias nas horas iniciais e finais do dia. Isto acontece no mês de Dezembro, porque os dias são mais “curtos” no que diz respeito à amplitude de horas solares. Olhando para a discrepância existente entre cada tipo de céu para cada um dos meses em estudo, conclui-se que em Dezembro esta é sempre maior que em Julho. Com isto, verifica-se que em Dezembro, o consumo de energia pode oscilar bastante mais do que em Julho. 0 100 200 300 400 500 12345 Consumo energético [kJ/m2] Sala Iliminação artificial sem tubos de luz [kJ/m2] 21 Julho céu limpo 21 Julho céu encoberto 21 Dezembro céu limpo 21 Dezembro céu encoberto Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 53 5.1.2. Iluminação artificial com tubo(s) de luz Um dos objetivos deste trabalho é perceber até que ponto se consegue reduzir o consumo energético relativo à iluminação quando se instala(m) tubo(s) de luz. Seguindo a mesma lógica do subcapítulo anterior, apresenta-se o gráfico da figura 39 que resume os perfis de iluminação obtidos pela adição do efeito proveniente de um tubo de luz à iluminação natural transferida pela janela. Figura 39: Consumo energético em iluminação artificial para os dias e salas em estudo com a contribuição de um tubo de luz O resultado que salta mais à vista é o fato de, para o dia 21 de Julho de céu limpo, a utilização de energia ser muito inferior a todos de os outros dias – menos de metade do que qualquer outra combinação dia/céu para a mesma sala, chegando a não ser necessária a sua utilização na sala 1. Isto significa que o dia em questão é, de longe, o que apresenta a melhor empregabilidade. Este resultado é novamente comprovado no gráfico da figura 40, onde se apresentam as reduções em percentagem relativamente ao consumo sem a aplicação do tubo de luz. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 12345 Consumo energético [kJ/m2] Sala Iluminação artificial com um tubo de luz 21 Julho céu limpo 21 Julho céu encoberto 21 Dezembro céu limpo 21 Dezembro céu encoberto Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 60 Figura 47: Influência da introdução do segundo tubo de luz nas necessidades de arrefecimento. Observando-se os valores obtidos na sala 5, percebe-se que, ao instalar o segundo tubo de luz, a redução de energia de arrefecimento não aumenta tanto quanto acontece na sala 4. Isto poderá dever-se ao fato da redução de iluminação artificial obtida com o segundo tubo de luz, para a área da sala em causa, já não ser muito significativo. Em resumo, ao utilizar-se um tubo de luz, a redução energética anual conseguida no arrefecimento andará entre 7,5% e 5,8%. A introdução de um segundo tubo de luz nas duas salas de maior profundidade, provou aumentar um pouco a poupança energética em arrefecimento – entre 1 e 3 pontos percentuais. 5.3. Energia global consumida Na posse dos resultados obtidos para a iluminação artificial e sistema de climatização, converteram-se as respetivas contribuições em quilogramas equivalentes de petróleo. Os fatores de conversão para energia primária que se utilizaram foram os propostos no RCCTE. [32] Os diagramas das duas figuras 48 e 49, representam a repartição dos pesos das diferentes componentes associadas ao consumo energético relativamente à sala 1, com e sem a influência de um tubo de luz. Os resultados para as outras salas em estudo encontram-se no anexo D. 0 5 10 15 20 25 30 35 Percentagem [%] Comparação das reduções energéticas entre um ou dois tubos de luz Arrefecimento Iluminação Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 61 Figura 48: Repartição da energia consumida na sala 1 sem tubos de luz. Figura 49: Repartição da energia consumida na sala 1 com um tubo de luz. Previsivelmente, sempre que se introduz um tubo de luz, as componentes energéticas referentes à iluminação e arrefecimento diminuem. Depois de somadas todas as componentes energéticas, apresentam-se através do gráfico da figura 50, as reduções, em percentagem, de energia total despendida para as salas em estudo ao introduzir-se um tubo de luz. Aquecimento; 0,3 Arrefecimento; 22,8 Iluminação; 12,3 Equipamentos; 64,5 Sala 1 sem tubo de luz TOTAL: 23,37 kgep/m2 Aquecimento; 0,4 Arrefecimento; 22,6 Iluminação; 9,0 Equipamentos ; 68,0 Sala 1 com um tubo de luz TOTAL: 22,17 kgep/m2 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 62 Figura 50: Poupança energética no consumo global anual com a introdução de um tubo de luz. Pode-se, então, afirmar que para as salas em estudo, com um tubo de luz, se consegue poupar cerca de 5 % do consumo energético global de um escritório. Da mesma forma, o gráfico da figura 51 mostra a redução da utilização de energia proveniente da introdução do segundo tubo de luz nas salas 4 e 5. Figura 51: Influência da introdução do segundo tubo de luz na energia global consumida. Da sua análise, constata-se um aumento de cerca de dois pontos percentuais na poupança energética ao utilizar-se o segundo tubo de luz. 0 1 2 3 4 5 6 12345 Percentagem [%] Sala Redução anual total com um tubo de luz 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Percentagem [%] Redução anual total com um ou dois tubos de luz Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 63 6. Conclusões e trabalhos futuros O presente trabalho teve como objetivo avaliar, de forma quantitativa e qualitativa, a influência de dispositivos de iluminação natural num espaço do tipo escritórios. Teve-se o cuidado em analisar espaços com várias profundidades por ser um fator de impacto significativo na difusão da iluminação num espaço, que apenas tem uma janela no topo da sala. Tendo em conta as limitações decorrentes da utilização do software DIALUX, que não se encontra devidamente preparado para lidar com o fenómeno de iluminação artificial simultaneamente com a natural proveniente de tubos de luz, mesmo assim, foi possível determinar e estimar potenciais poupanças energéticas associadas a estes dispositivos. 6.1. Conclusões Face às limitações resultantes do software de simulação (DIALUX) foi necessário efetuar um conjunto de limitações e adaptações para se conseguir obter os resultados pretendidos. As simulações ficaram limitadas no tempo, apenas foram considerados quatro tipos de condições de iluminação exterior; Inverno e Verão e para cada um, com e sem nuvens, dado o tempo disponível para realizar este trabalho. Desta forma, todos os consumos energéticos anuais determinados não corresponderão à realidade, embora permitam perceber que diferenças se obtêm com a utilização de tubos de luz. Através do estudo efetuado e conforme era espectável, a utilização de tubos de luz proporciona uma redução do consumo energético no que diz respeito a iluminação artificial. Essa redução depende de vários fatores: a localização, a orientação e dimensões caracterizadoras do espaço, como também as dimensões, propriedades e posicionamento dos tubos de luz. Ainda que o último fator referenciado no parágrafo anterior não tenha sido otimizado, para os casos de estudo presentes neste trabalho, foi determinada uma poupança anual de cerca 25% no consumo energético associado à iluminação artificial com a instalação de um tubo de luz. Com a introdução do segundo tubo de luz, mostrou-se que a poupança energética aumenta em cerca de dez pontos percentuais nas duas salas de maior profundidade. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 64 Quanto às necessidades térmicas de aquecimento e arrefecimento, constatou-se, para as primeiras, um aumento desprezável tendo em conta a grandeza do valor do consumo associado ao arrefecimento. Com a utilização de um tubo de luz, a poupança energética anual no arrefecimento poderá ascender a 7,5% no caso mais favorável e 5,8% no pior caso. A introdução de um segundo tubo de luz nas duas salas de maior profundidade, não revelou grandes alterações na redução energética de arrefecimento – entre 1 e 3 pontos percentuais. No consumo global de energia, conclui-se que é possível uma redução de aproximadamente 5% com a instalação de um tubo de luz e que, com a adição de um segundo tubo de luz, a poupança energética, apenas aumenta cerca de dois pontos percentuais. 6.2. Trabalhos futuros Como sugestão para trabalhos futuros, seria interessante repetir a presente análise deste trabalho com a fachada exterior dos escritórios virada para as outras três orientações. Assim, seria possível perceber que variações se obtinham ao comparar com os resultados aqui demonstrados para Sul. Com os resultados para as quatro orientações cardeais, poder-se-ia tentar gerar uma correlação entre as várias orientações. Desta forma, com o estudo realizado para apenas uma das orientações, se poderia estimar resultados noutras salas de outros edifícios com a fachada exterior orientada para qualquer um dos outros três pontos cardeais. Dado ter sido uma das limitações deste trabalho, seria essencial desenvolver as ferramentas de simulação dinâmica de iluminação existentes, de forma a ser possível integrar tubos de luz para aproveitamento de luz natural sem grandes dificuldades. No campo dos difusores de tubos de luz notou-se uma certa escassez de informação e, portanto, seria importante realizar um estudo sobre a performance destes dispositivos, tendo em conta propriedades de diferentes materiais, como também características geométricas, por exemplo, diferentes relevos e concavidades na sua superfície. Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 65 7. Bibliografia e referências [1] Jenkins, D., et al. (2003). "Modelling light-pipe performances - a natural daylighting solution." Building and environment 38(7): 965-972. [2] Illuminating Engineering Society of North America, “Lighting Handbook – Reference & Applications”, 2000. 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Ponto nº X Y Z Ponto nº X Y Z 1 1 3 0,8 918 1 1 3 0,8 137 2 2 3 0,8 365 2 2 3 0,8 278 3 3 3 0,8 178 3 3 3 0,8 567 4 4 3 0,8 108 4 4 3 0,8 804 5 5 3 0,8 76 5 5 3 0,8 670 6 1 2 0,8 1372 6 1 2 0,8 159 7 2 2 0,8 443 7 2 2 0,8 326 8 3 2 0,8 202 8 3 2 0,8 734 9 4 2 0,8 110 9 4 2 0,8 1115 10 5 2 0,8 84 10 5 2 0,8 887 11 1 1 0,8 909 11 1 1 0,8 137 12 2 1 0,8 364 12 2 1 0,8 275 13 3 1 0,8 179 13 3 1 0,8 566 14 4 1 0,8 108 14 4 1 0,8 813 15 5 1 0,8 75 15 5 1 0,8 668 Ponto nº X Y Z Valor [lx] Percentagem Ponto nº X Y Z 1 1 3 0,8 1055 7 0,67% 1 1 3 0,8 1048 2 2 3 0,8 643 4 0,63% 2 2 3 0,8 639 3 3 3 0,8 745 5 0,68% 3 3 3 0,8 740 4 4 3 0,8 912 4 0,44% 4 4 3 0,8 908 5 5 3 0,8 746 3 0,40% 5 5 3 0,8 743 6 1 2 0,8 1531 11 0,72% 6 1 2 0,8 1520 7 2 2 0,8 769 5 0,65% 7 2 2 0,8 764 8 3 2 0,8 936 5 0,54% 8 3 2 0,8 931 9 4 2 0,8 1225 5 0,41% 9 4 2 0,8 1220 10 5 2 0,8 971 4 0,41% 10 5 2 0,8 967 11 1 1 0,8 1046 7 0,67% 11 1 1 0,8 1039 12 2 1 0,8 639 5 0,79% 12 2 1 0,8 634 13 3 1 0,8 745 5 0,68% 13 3 1 0,8 740 14 4 1 0,8 921 4 0,44% 14 4 1 0,8 917 15 5 1 0,8 743 3 0,41% 15 5 1 0,8 740 Apenas a janela vertical Apenas a janela horizontal Soma da janela horizontal com vertical Simulação das duas janelas em simultâneo Diferença Valor [lx] Posição [m] Valor [lx] Posição [m] Valor [lx] Valor [lx] Posição [m] Posição [m] Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 76 Tubo Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 77 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 78 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 79 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 80 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 81 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 82 Difusor Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 83 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 84 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 85 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 92 Sala 3 Sala 4 Aquecimento; 0,1 Arrefecimento; 22,3 Iluminação; 11,2 Equipamentos; 66,5 Sala 2 com um tubo de luz TOTAL: 22,70 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 20,8 Iluminação; 16,3 Equipamentos; 62,9 Sala 3 sem tubo de luz TOTAL: 23,97 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 20,5 Iluminação; 13,5 Equipamentos; 66,0 Sala 3 com um tubo de luz TOTAL: 22,86 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 19,6 Iluminação; 18,2 Equipamentos; 62,2 Sala 4 sem tubos de luz TOTAL: 24,25 kgep/m2 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 93 ~ Sala 5 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 19,2 Iluminação; 15,4 Equipamentos; 65,4 Sala 4 com um tubo de luz TOTAL: 23,08 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 19,1 Iluminação; 13,6 Equipamentos; 67,3 Sala 4 com dois tubos de luz TOTAL: 22,41 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 18,8 Iluminação; 19,6 Equipamentos; 61,6 Sala 5 sem tubos de luz TOTAL: 24,51 kgep/m2 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 18,3 Iluminação; 16,8 Equipamentos; 64,9 Sala 5 com um tubo de luz TOTAL: 23,25 kgep/m2 Tubos de luz, serão sistemas que permitem reduzir efetivamente o consumo energético? – um estudo exploratório 94 Aquecimento; 0,0 Arrefecimento; 18,6 Iluminação; 15,2 Equipamentos; 66,1 Sala 5 com dois tubos de luz TOTAL: 22,81 kgep/m2