Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética. Comparação entre sistemas de extração centralizados e independentes

Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética Comparação entre sistemas de extração centralizados e independentes João Henrique da Cunha Vaz Relatório da Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Professor Doutor Eduardo Oliveira Fernandes Co-orientador: Doutor Hugo Santos Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Setembro de 2012 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética ii Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética iii Aos meus pais, irmã e avós Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética iv Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética v Resumo Numa primeira abordagem à presente dissertação é abordada a questão da energia onde se compreendem quais as fontes de energia primária que se utilizam, repartição pelos diversos setores e previsão da sua utilização. Interligando esta questão à temática da extração de forma a tentar obter o menor consumo energético, a abordagem inicial passa pela descrição da evolução deste tipo de sistemas até aos dias de hoje. Partindo do princípio de dois tipos de sistemas de extração, centralizados e independentes, pretende-se compreender qual o impacto energético da introdução destes dois tipos de sistemas, garantido sempre uma renovação de ar adequada de forma que seja garantida a qualidade do ar interior para uma dada fração autónoma. A abordagem adotada passa por uma análise inicial ao comportamento da temperatura exterior da cidade do Porto, cidade de base para o desenvolvimento desta dissertação. Posteriormente é determinado o número de graus-dias de aquecimento considerando uma temperatura interior de referência 15ºC. Posto isto, é definida a estação de aquecimento uma vez que é nesta situação que se pretende analisar o impacto energético dos sistemas de extração. Para obter os valores necessários, a metodologia adotada passa pela determinação das necessidades de aquecimento devido às perdas de calor por renovação de ar. De forma a tornar o estudo mais próximo com a realidade são criados perfis de funcionamento dos extratores numa perspetiva de tentar enquadrar os hábitos diários dos ocupantes de uma dada fração autónoma. São considerados cinco cenários de extração centralizada, designados por MC, sendo um deles obtido pelo “Método do Ramal Crítico”, e um cenário de extração independente, MI. Posteriormente são determinados os consumos de eletricidade associados aos ventiladores de extração. De forma a ter uma base de comparação, foram determinadas as necessidades de aquecimento por renovação de ar de forma natural, ou seja quando não se considera qualquer tipo de sistema de extração ligado. Para as taxas de infiltração de 0,2 h-1, 0,4 h-1, 0,6 h-1 e 1,0 h-1, a obtenção destes valores permitirá compreender qual o impacto energético da introdução dos sistemas mecânicos de extração. Depois são determinados os custos associados quer das necessidades de aquecimento, bem como os custos associados ao consumo elétrico dos ventiladores. O cenário MI consegue obter um menor impacto para todas as taxas de infiltração assim como renovações por hora mais económicas: 8 kWh/m2 e taxa de renovação de ar de 0,4 h-1para taxa de infiltração de 0,2 h-1; 11,3 kWh/m2 e taxa de renovação de ar de 0,6 h-1 e taxa de infiltração de 0,4 h-1; 14,7 kWh/m2 e taxa de renovação de ar de 0,7 h-1e infiltrações de 0,6 h-1 e 21,7 kWh/m2 e 1,1 h-1 de renovação de ar total em taxa de infiltração de ar 1,0 h-1. O mesmo se passa nos custos totais, são mais reduzidos: 36,30 €/ano em 0,2 h-1; 32,13 €/ano em 0,4 h-1; 29,75 €/ano em 0,6 h-1 e 24,99 €/ano em 1,0 h-1. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética vi Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética vii Ventilation in Residential Blocks: Air quality and energy saving Abstract The first approach to this thesis is to address the issue of energy, what are the primary energy sources usually used, distribution in every sectors and forecast of its use. Linking this issue to the topic of extraction in order to try to achieve the lowest power consumption, the initial approach involves the description of the evolution of such systems until today. Assuming two types of extraction systems, centralized and independent, the main goal is to understand the energy impact of the introduction of these two types of systems, always guaranteed a correct renewal of air which ensures a good indoor air quality for a given residential block. The approach involves an initial analysis of the outside temperature in Porto, city which is used in the development of this thesis. After that, the Heating Degree-Day is determined considering a reference indoor temperature of 15ºC. Then it is set the heating season once is in this situation that the energy impact of extraction systems really matters. To obtain the required values, the methodology involves the determination of the heating needs due to losses of heat by air renewal. In order to make the study realistic current profiles of the function of extractors are created in a perspective to fit to the daily habits of the occupants of a given house. It is considered five scenarios of centralized extraction, designated by MC, one of those obtained by the “Ramal Crítico” method, and an independent extraction scenario, MI. Subsequently the consumption of electricity associated with extraction fans is determined. In order to have a basis for comparison, it was determined the heating requirements for renewal of air in a natural way, i.e. when it is not considered the activation of any kind of extraction system. To the infiltration rates of 0.2 h-1, 0.4 h-1, 0.6 h-1 and 1.0 h-1, obtaining these values will permit the understanding of the energy impact with the introduction of the mechanical extraction systems. After that, the costs are determined both from heating requirements as well as from the costs associated with the consumption of the electric blowers. The independent scenario achieves the lowest impact for all infiltration rates and economical renewals of air per hour: 8 kWh/m2 and air renewal rate of 0,4 h-1 for infiltration rate of 0,2 h1; 11,3 kWh/m2 and air renewal rate of 0,6 h-1 to infiltration rate of 0,4 h-1; 14,7 kWh/m2 and air renewal rate of 0,7 h-1 for infiltration rate of 0,6 h-1 and 21,7 kWh/m2 and air renewal rate of 1,1 h-1 for infiltration rate of 1,0 h-1. The same with tha total costs which are the lowest: 36,30 €/year at 0,2 h-1; 32,13 €/year at 0,4 h-1; 29,75 €/year at 0,6 h-1 and 24,99 €/year to 1,0 h-1. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética viii Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética ix Agradecimentos Gostaria de agradecer ao Professor Eduardo Oliveira Fernandes a oportunidade que me deu de realizar esta dissertação. Queria agradecer ao Dr. Hugo Santos toda a colaboração fornecida durante todo o meu trabalho, sempre me apoiou e forneceu todas as ferramentas necessárias para que conseguisse obter um bom resultado final. Agradeço também aos meus amigos todo o apoio e ajuda dada no decorrer da minha vida académica e pelas memórias e bons momentos passados. À minha mãe fica um agradecimento especial por sempre acreditar em mim e permitir estar a escrever esta dedicatória. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xvi Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xvii Índice de tabelas Tabela 1 Cálculo do número Graus-dias de Aquecimento ....................................................... 21 Tabela 2 Perfil horário de extração dos cenários centralizados quer na cozinha quer nas casa de banho .................................................................................................................................... 25 Tabela 3 Perfil horário cenário independente para a cozinha e casa de banho ........................ 27 Tabela 4 Constituição da instalação utilizada para dimensionamento de ventilador de cozinha .................................................................................................................................................. 31 Tabela 5 Dimensionamento ventilador de cozinha .................................................................. 35 Tabela 6 Perda de carga cenário MC5 ...................................................................................... 39 Tabela 7 Iterações efetuadas ventilador cozinha ...................................................................... 40 Tabela 8 Caraterísticas fração autónoma considerada para os diversos cenários..................... 43 Tabela 9 Necessidades de aquecimento horárias para todas as taxas de infiltração ................. 44 Tabela 10 Necessidades de aquecimento por infiltrações mensais .......................................... 45 Tabela 11 Tabela resumo dos valores Ni para as várias taxas de infiltração ........................... 46 Tabela 12 Características cenários centralizados de extração .................................................. 47 Tabela 13 Necessidades de aquecimento para os cenários centralizados considerando taxa de infiltração de 0,6 h-1 .................................................................................................................. 48 Tabela 14 Necessidades de aquecimento mensais para os cenários centralizados considerando taxa de infiltração de 0,6 h-1 ..................................................................................................... 52 Tabela 15 Características técnicas cenário independente MI quando se considera uma taxa de infiltrações de 0,6 h-1 ................................................................................................................ 55 Tabela 16 Necessidades de aquecimento horárias para o cenário independente MI considerando taxa de infiltração de 0,6 h-1 ............................................................................... 55 Tabela 17 Necessidades de aquecimento mensais para o cenário independente MI considerando uma taxa de infiltração de 0,6 h-1 ....................................................................... 56 Tabela 18 Características técnicas cenário centralizado MC5 considerando uma taxa de infiltrações de 0,6 h-1 ................................................................................................................ 57 Tabela 19 Necessidades de aquecimento horárias para o cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 .................................................................................................................. 58 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xviii Tabela 20 Necessidades de aquecimento mensais para o cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 .................................................................................................................. 58 Tabela 21 Quadro resumo das necessidades de aquecimento para os vários centralizados e independente e as várias taxas de infiltração ............................................................................ 60 Tabela 22 Impacto da introdução dos vários cenários de extração face ao valor de ventilação natural para as várias taxas de infiltração em kWh/m2 ............................................................. 61 Tabela 23 Variação do valor das necessidades de aquecimento entre os vários cenários de extração em kWh/m2 ................................................................................................................ 61 Tabela 24 Consumo de eletricidade dos ventiladores para os vários cenários considerados ... 64 Tabela 25 Taxa de renovação de ar dos vários cenários de extração para cada uma das taxas de infiltração consideradas ....................................................................................................... 67 Tabela 26 Tabela comparativa dos vários valores obtidos para os cenários de extração e quando comparados com taxa de infiltração de 0,6 h-1 ............................................................ 69 Tabela 27 Tabela comparativa dos vários valores obtidos para os cenários de extração e quando comparados com taxa de infiltração de 0,2 h-1 ............................................................ 70 Tabela 28 Tabela comparativa dos vários valores obtidos para os cenários de extração e quando comparados com taxa de infiltração de 0,4 h-1 ............................................................ 72 Tabela 29 Tabela comparativa dos vários valores obtidos para os cenários de extração e quando comparados com taxa de infiltração de 1,0 h-1 ............................................................ 74 Tabela 30 Custos associados ao consumo dos ventiladores ..................................................... 75 Tabela 31 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,2 h-1 ............................................................................................................. 76 Tabela 32 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,2 h-1 ...... 76 Tabela 33 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,4 h-1 ............................................................................................................. 77 Tabela 34 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,4 h-1 ...... 77 Tabela 35 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,6 h-1 ............................................................................................................. 77 Tabela 36 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,6 h-1 ...... 77 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xix Tabela 37 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 1,0 h-1 ............................................................................................................. 78 Tabela 38 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 1,0 h-1 ...... 78 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xx Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xxi Lista de Símbolos GD – Número de graus-dias de aquecimento [ºC.dias] Tb – Temperatura de base [ºC] Tj – Temperatura do ar à hora j [ºC] QAI – Qualidade do ar interior Rph – Número de renovações horárias do ar interior (taxa de renovação nominal) [h-1] ρ – Massa volúmica do ar [kg/m3] cp – Calor específico do ar [J/kg.ºC] V – Volume interior da fração autónoma [m3] Pd – Pé direito médio [m] Ap – Área útil de pavimento [m2] h – Número horas funcionamento Niútil – Necessidades anuais de aquecimento úteis [kWh/m2] Efinal – Necessidades anuais de aquecimento em energia final [kWh/m2] C0 – Coeficiente de descarga Pv – Potência elétrica ventilador [W] Ev – Energia elétrica necessária ao funcionamento dos ventiladores [kWh/m2] θi – Temperatura interior de referência [ºC] θatm – Temperatura do ar exterior [ºC] v – Velocidade [m/s] ΔPT – Perda de carga total [Pa] ΔPL – Perda de carga em linha [Pa] ΔPK – Perda de carga localizada [Pa] VN –Ventilação Natural Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética xxii VMec_WC – Ventilação mecânica casa de banho VMec_Coz – Ventilação mecânica cozinha N1 – Cenário ventilação natural 1 N2 – Cenário ventilação natural 2 N3 – Cenário ventilação natural 3 N4 – Cenário ventilação natural 4 MC1 – Cenário extração centralizada 1 MC2 – Cenário extração centralizada 2 MC3 – Cenário extração centralizada 3 MC4 – Cenário extração centralizada 4 MC5 – Cenário extração centralizada 5 MI – Cenário extração independente η – Rendimento sistema de climatização Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 1 1. Introdução Os tempos que hoje se vivem são de grande e constante mudança e de rápida evolução da sociedade. Energia é a essência de toda a vida e fator fundamental na evolução de uma sociedade. Setores como o residencial, o de serviços, o industrial e o dos transportes necessitam de energia para o seu desenvolvimento e nas últimas décadas tem-se registado um crescente aumento das necessidades energéticas e consumo de eletricidade em Portugal e no Mundo. A energia utilizada provém essencialmente de dois tipos de fontes: renováveis e não renováveis. A utilização de energia primária recorre a fontes não renováveis como petróleo e seus derivados, carvão, gás natural, elementos radioativos como urânio e plutónio. No entanto, e de acordo com a DGEG, em Portugal o petróleo assume um papel essencial na estrutura de abastecimento e representava 49,1% do total de energia primária em 2010 contra os 48,7% registados em 2009. Já a utilização de gás natural, segundo a mesma fonte, no último decénio contribuiu para diversificar a estrutura da oferta de energia e com isso reduzir a dependência de petróleo de Portugal para com os fornecedores exteriores. O consumo de carvão que em 2010 representava 7,2% do total de consumo de energia primária vê a sua utilização cada mais reduzida devido ao seu impacto nas emissões de CO2 [1]. No que diz respeito à utilização de petróleo, e sendo um dos combustíveis mais utilizados, o processo de transformação deste recurso de energia primária para energia final através da sua refinação permite obtenção de calor que pode ser utilizado de forma direta e indireta ou convertida em outras formas de energia. Além do petróleo, o gás natural também vê a sua utilização cada vez mais aumentar quer no setor residencial, industrial e produção de eletricidade. Esta demanda mundial de energia primária foi estudada pela Agência Internacional de Energia, International Energy Agency (IEA) num estudo elaborado em 2010 [2]. A Figura 1 mostra a demanda das principais fontes de energia primária mundial em milhões de toneladas equivalentes de petróleo. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 2 Figura 1 Procura mundial de energia primária Fonte IEA Pode-se verificar que a procura mundial de petróleo como fonte de energia primária em 1980 registava aproximadamente 3100 Mtep e apresenta uma crescente procura. Em 2010 apresentava uma procura na ordem dos 4000 Mtep, um aumento de 29% face a 1980. O carvão é a segunda fonte de energia primária mais utilizada, em 1980 registava uma procura mundial na ordem dos 1800 Mtep sendo que em 2010 aproximava-se das 3500 Mtep, aumento significativo de 94% na procura deste recurso. Gás natural em 1980 registava um consumo de 1200 Mtep e já em 2010 a procura aumentava para os 2500 Mtep, aumento de 108%. Este estudo estima que pelo menos até 2035 a procura e utilização destas três fontes de produção de eletricidade aumente, onde ainda assim o petróleo continue a assumir o maior impacto dos três estimando-se que alcance a meta das 4700 Mtep, seguido do carvão onde prevê-se uma estabilização desde meados de 2015 na ordem das 4000 Mtep e gás natural com aumento acentuado até os 3900 Mtep. Portugal é um país que não apresenta reservas de petróleo, carvão e até gás natural capazes dar resposta às suas necessidades energéticas e por isso é fortemente dependente de importação destes recursos. Segundo a DGEG a taxa de dependência exterior de Portugal tem vindo a decrescer desde 2005, apesar de ter sofrido um ligeiro agravamento no ano de 2008 face a 2007 [1]. No entanto, e como se tratam de fontes não renováveis, a sua constante procura e utilização pode levar ao esgotamento das atuais reservas existentes. É de difícil previsão para quando estes recursos se esgotarão, estima-se que as reservas de petróleo Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 3 permitam a sua exploração entre 50 a 100 anos mais, o carvão que apesar de apresentar reservas mais abundantes e geograficamente mais dispersas mesmo assim é uma fonte limitada e prevê-se a sua exploração entre 200 a 400 anos. O gás natural também prevê a sua exploração por mais 60 anos. Apesar de se tratar de estimativas, cada vez mais a aposta em recursos renováveis para produção de eletricidade é fundamental e visa substituir os recursos não renováveis. A principal vantagem da exploração de fontes renováveis de produção de eletricidade visa essencialmente a questão de produção de eletricidade “limpa” e o facto de utilizarem recursos inesgotáveis como sol, vento e água. Portugal neste campo está bem posicionado uma vez que é um dos países europeus com melhor localização e melhores níveis de exposição solar, extensa costa marítima capaz de aproveitamento e exploração dos processos hídricos de produção de eletricidade e extensa rede de centrais hidroelétricas. Além disso Portugal também possui uma extensa área ao longo de todo o seu território onde a implementação de aerogeradores permitiria o aproveitamento de outra fonte inesgotável de energia, o vento. Se estes recursos fossem devidamente explorados Portugal poderia tornar-se num país autossuficiente a nível energético deixando por isso de depender de terceiros. A grande aplicabilidade destes recursos passa desde sistemas solares fotovoltaicos para produção de eletricidade até aquecimento de águas por coletores térmicos. A utilização de biocombustíveis também contribui para a redução nas importações de petróleo de que Portugal é externamente dependente, apesar de atualmente serem pouco utilizados. A utilização de biogás, gás combustível constituído em média por 60% de metano e 40% de CO2, obtido pela degradação biológica anaeróbica dos resíduos orgânicos também resulta num dos proveitos das energias renováveis. Além do que foi referido anteriormente ainda há que considerar a biomassa, fração biodegradável de produtos e resíduos da agricultura (donde se destacam substâncias vegetais e animais), da floresta e das indústrias conexas bem como a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos. Essencialmente o uso da biomassa passa por aplicações térmicas, produção de calor e águas quentes sanitárias. A geotermia também é um recurso renovável e cujo aproveitamento passa essencialmente por aquecimento ambiente, águas sanitárias, piscicultura ou mesmo em processos industriais ou na produção de energia elétrica [3]. No entanto, e pela análise da Figura 1, pode-se verificar que o setor das renováveis ainda é uma área em vias de desenvolvimento e que necessita de grandes investimentos e pesquisa. Segundo o DGEG, em 2010 as energias renováveis contribuíam com 23,1% do consumo total contra 20% em 2009 [1]. Pela análise da Figura 1 a parcela respeitante quer à produção de eletricidade por recursos hídricos representava 100 Mtep e outras fontes renováveis ainda uma parcela muito reduzida no passado ano de 2010. No que Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 10 insuflação. A presente tese aborda a questão da ventilação numa perspetiva desta última solução, sendo que a extração é feita na casa de banho e na cozinha. Este tipo de solução permite aproveitar o melhor da ventilação natural no que diz respeito à insuflação de ar e no que diz respeito à extração deve ser proporcionada por extratores que cada vez mais tendem a operar de forma eficiente, como tal pretende-se perceber qual o impacto económico da introdução deste tipo de solução. Antes de tratar desse assunto, e uma vez que a ventilação natural é parte crucial do processo e uma vez que esta está intrinsecamente ligada às condições climatéricas, de seguida é feita uma análise a este tema. Em Portugal Continental, e segundo o Instituto de Meteorologia de Portugal, através de análise espacial baseada nas normais de 1961/90 mostra a temperatura média anual a variar entre cerca de 7ºC nas terras altas do interior norte e centro e cerca de 18ºC no litoral sul [6]. Figura 9 Clima em Portugal Continental Fonte Instituto de Meteorologia, IP Portugal A análise da Figura 9 permite concluir que a cidade do Porto se encontra na gama dos 14ºC a 15ºC e está enquadrada numa região de clima temperado. Como Portugal está localizado numa região de clima temperado, o aquecimento pode ser providenciado por outras formas que não a exigência de sistemas de aquecimento. Muitas vezes uma simples sobreposição de várias camadas de roupa é o suficiente para manter o conforto térmico dos ocupantes e assim poupar na fatura energética. Atualmente cada vez Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 11 mais as pessoas vivem o seu dia-a-dia dentro de edifícios desde residenciais até edifícios de serviços realizando todo o tipo de tarefas desde trabalho até lazer. Como tal, é importante garantir que os ocupantes de determinado espaço se encontram confortáveis. De uma forma objetiva, o conforto pode ser caraterizado em quatro vertentes: conforto térmico, conforto acústico, conforto visual e qualidade do ar interior. Interessa essencialmente nesta situação fazer o balanço entre conforto térmico necessário à boa habitabilidade de uma fração autónoma para que não seja descurada a qualidade do ar interior. No que diz respeito às questões de conforto térmico atualmente é considerada a norma EN 15251 baseada na norma EN ISO 7730. Esta norma avalia a qualidade do ar em duas vertentes, edifícios de serviços e residenciais. Parâmetros como temperatura interior, humidade relativa, qualidade do ar interior, taxas de renovação de ar e até efeito acústico são analisados. A temperatura essencialmente visa duas vertentes: temperatura exterior, já anteriormente verificada que Portugal se enquadra numa região de clima temperado, e temperatura interior função entre fatores como equipamentos, ocupantes e a própria temperatura exterior. Do ponto de vista de qualidade do ar interior (QAI), o principal objetivo é garantir que o ar interior dos edifícios não contenha uma excessiva concentração de partículas em suspensão ou produtos químicos nocivos ou desagradáveis. É considerada uma boa QAI quando são garantidas as concentrações de O2 e CO2 capazes de garantir a normal atividade respiratória e quando as concentrações de poluentes forem inferiores a valores máximos suportáveis pelos ocupantes. Para que seja garantida a QAI, o controlo das emissões e fontes poluentes deve desde logo ser garantido, e posteriormente a renovação do ar interior deve ser tal que garanta estes parâmetros. A renovação de ar dentro de um determinado espaço habitável é um requisito imprescindível e que faz parte do dia-a-dia de qualquer pessoa. No entanto poucos são aqueles que realmente compreendem a verdadeira importância deste fenómeno que é praticamente dado como garantido, mas cuja falta afeta a qualidade e conforto dos ocupantes de determinado espaço. No desenvolvimento deste trabalho considera-se a extração na cozinha e casas de banho pois são os dois locais onde há maior potencial de afetar de forma mais significativa a qualidade do ar interior, denominadas zonas húmidas [7]. Quando se cozinham alimentos, como em processos de cozeduras e frituras, através quer por fogões a gás quer fogões elétricos, existe libertação de efluentes para o ar atmosférico tais como vapor de água e compostos químicos, como monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2) no caso dos fogões a gás provenientes da combustão dos combustíveis gasosos que estes utilizam e quando em doses elevadas podem mesmo ser tóxicos e prejudiciais aos ocupantes. A libertação de vapor de água, essencialmente em processos de cozedura, origina o aumento da Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 12 humidade relativa do ar. Se este excesso de humidade não for extraído e se o fenómeno for contínuo o surgimento de condensações é inevitável [8]. Por isso, e de forma a garantir uma boa qualidade do ar interior, a aplicação de sistemas de ventilação nesta divisão é crucial. No que diz respeito à extração em casas de banho, as atividades de higienização pessoal diárias como a toma de banhos, originam libertação para a atmosfera de grandes quantidades de vapor de água. Se a humidade em excesso não for devidamente extraída, e uma vez que a envolvente das casas de banho, paredes e teto estão a uma temperatura mais baixa que o ar atmosférico, o surgimento de condensações é inevitável. Isto é um fator propício ao desenvolvimento de populações microbianas como fungos, mofo e bactérias. No entanto, nos casos em que se recorre a extratores mecânicos estes devem ser devidamente dimensionados de forma a conseguirem extrair o ar contaminado com poluentes e humidade relativa em excesso. Para isso devem garantir caudais de extração adequados. Aliado a esta questão tem de se considerar a própria evolução da construção portuguesa. Com a problemática que tem surgido nos últimos anos sobre consumo excessivo de eletricidade por parte dos sistemas de climatização, e com a procura constante em diminuir as perdas térmicas para o exterior, a estanquicidade é cada vez maior. Enquanto por um lado se consegue reduzir as perdas térmicas e com isso poupar na utilização de energia, por outro perde-se a nível de qualidade de ar interior: quanto mais estanque for uma fração autónoma, menor é a taxa de infiltrações. Com fracas taxas de renovação de ar, aliadas a concentrações de poluentes excessivas surge ent o a temática do “Síndrome do Edifício Doente” (“Sick Building Syndrome”). De acordo com a Organização Mundial de Saúde (WHO) se uma habitação for devidamente construída e provida de boas taxas de ventilação que permitam manter os níveis de humidade interior dentro de parâmetros aceitáveis, então o risco de surgimento de doenças do foro respiratório tais como asma, alergias, infeções e mesmo inflamações pode ser bastante reduzido. A própria humidade interior leva ao surgimento de condensações e posterior criação e desenvolvimento de populações microbianas [5]. Posto isto é essencial que sejam sempre garantidas taxas mínimas de renovação de ar, valores que consigam renovar o ar de forma eficaz e assim evitar situações deste tipo. Atualmente a taxa de renovação por infiltrações mais considerada a nível europeu ronda as 0,5 h-1. Claro que a taxa de infiltração depende de fatores como clima do local considerado. A título de exemplo, nos países escandinavos as casas devem ser o mais herméticas possível para evitar grandes perdas por renovação de ar [5]. Desta forma a ventilação apresenta um impacto muito Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 13 reduzido uma vez que a elevada estanquicidade aliada ao uso de sistemas de recuperação de calor permitem uma redução muito significativa da energia necessária para manter as condições de conforto. Desta forma, e de maneira a que se consiga obter na mesma uma boa qualidade e extração dos poluentes e humidade relativa em excesso, devem ser instalados sistemas mecânicos de extração que consigam atingir os valores mínimos e adequados. A corrente legislação portuguesa, Regulamento das Características de Comportamento Térmico de Edifícios, RCCTE – Decreto-Lei nº 80 de 4 de abril de 2006, enuncia que para edifícios de habitação quando em conformidade com a norma NP 1037-1, o número de renovações horárias do ar interior, taxa de renovação nominal Rph, a adotar deve ser de 0,6 h-1 [9]. Posto isto quando se consideram edifícios multifamiliares pode-se recorrer a dois tipos de extração: centralizada e independente. O sistema centralizado é constituído por um ventilador de extração colocado na cobertura, assim como uma rede de condutas que ligam o ventilador a cada uma das frações. Este sistema opera segundo um perfil horário uniforme de extração, comum a todas as frações autónomas. Uma segunda abordagem passa pela instalação de sistemas independentes de extração. Estes sistemas de extração funcionam de forma independente de fração para fração quer na cozinha quer na casa de banho com controlo individualizado e função dos horários e hábitos dos ocupantes do espaço. Resumidamente o objetivo é estudar a extração localizada de fontes. Desta forma, pretende-se estudar o impacto da utilização de sistemas centralizados e independentes de extração quer em questões energéticas e de qualidade do ar interior quando se considera aquecimento. Para apoiar este estudo é considerada a legislação em vigor, o Regulamento das Características de Comportamento Térmico de Edifícios, RCCTE – Decreto-Lei nº 80 de 4 de abril de 2006 [9], que permite retirar valores de referência e formulações necessárias ao desenvolvimento de toda a tese. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 14 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 15 2. Metodologia Para se poder compreender qual o impacto energético entre sistemas centralizados e independentes de extração considera-se a termos comparativos um edifício multifamiliar com extração localizada na cozinha e na casa de banho. Uma vez que se trata de renovação de ar, o procedimento de cálculo passa pela determinação das necessidades de aquecimento devido às perdas térmicas por renovação de ar, ou seja, determinar quanta energia útil é necessária fornecer à fração autónoma para que esta mantenha a sua temperatura interior próxima de um valor de referência. O estudo incide na cidade do Porto devido a uma questão geográfica de realização desta dissertação, sendo que neste local são conhecidas as condições climatéricas com maior proximidade. De forma a tornar o estudo mais realista considera-se o ano civil de 2011 como o ano base de cálculo. Com isto pode-se enquadrar os valores das temperaturas nos dias referentes a este ano, desde dias úteis, sábados, domingos e feriados. Posteriormente criam-se cenários onde possam ser recriadas situações de extração aproximadas à realidade, com horários de funcionamento e taxas de ventilação adequadas. A metodologia de cálculo utiliza o software Microsoft Office Excel e permite a adaptação a qualquer tipo de fração autónoma independentemente de parâmetros como área útil, pé direito, caudais de extração, quer na cozinha quer na casa de banho, e potências dos ventiladores. Além disso pode-se considerar um qualquer perfil de funcionamento dos ventiladores envolvidos para a situação de extração centralizada e independente. A obtenção de dados permite a análise da parte natural e mecânica em separado. No entanto para que se consiga obter valores passíveis de ser comparados, e assim poder retirar conclusões, considera-se uma fração autónoma de área útil interior de 100 m2 e pé direito com 2,6 m. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 16 2.1. Estudo do comportamento das temperaturas exteriores para a cidade do Porto Uma vez que o Porto é a cidade de partida deste estudo é necessário compreender a evolução e comportamento térmico anual desta cidade. Trata-se de uma cidade situada a norte de Portugal, e pela análise da Figura 10, verifica-se que a temperatura exterior média anual segundo o Instituto de Meteorologia de Portugal, se encontra numa gama entre os 14ºC e os 15ºC. Figura 10 Clima em Portugal Continental Fonte Instituto de Meteorologia, IP Portugal Quanto à classificação global dos vários tipos de clima é correntemente utilizada uma classificação denominada por Classificação Climática de Koppen. Esta classificação considera 5 divisões tipo para classificar o clima:  Clima Tropical húmido;  Clima Seco;  Clima Temperado com inverno suave;  Clima Temperado com inverno rigoroso;  Clima Polar. No que diz respeito a Portugal Continental são consideras duas caraterizações para o seu clima:  Clima temperado com inverno chuvoso e verão seco e quente, de denominação Csa;  Clima temperado com inverno chuvoso e verão seco e pouco quente, denominado Csb. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 17 Pela análise da Figura 11 verifica-se que no caso da cidade do Porto se trata claramente de Csb, ou seja, clima temperado com inverno chuvoso e verão seco e pouco quente. Figura 11 Clima em Portugal Continental segunda classificação de Koppen Fonte Instituto de Meteorologia, IP Portugal Uma análise mais pormenorizada do clima na cidade do Porto, Figura 12, permite compreender o desempenho da temperatura do ar através da recolha de dados num período de 1981 até 2010, valores provisórios. Esta recolha é efetuada no Porto, mais precisamente na Serra do Pilar através de uma estação meteorológica. Figura 12 Variação temperatura do ar cidade do Porto Fonte Instituto de Meteorologia de Portugal Pode-se verificar pela análise da Figura 12 que o mês de agosto é aquele onde se verifica o valor mais elevado da temperatura máxima, 39,5ºC. A temperatura mínima verifica-se em Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 18 janeiro e apresenta um valor de -3,3ºC. As temperaturas médias oscilam entre 9,5ºC em janeiro e os 20,8ºC em agosto. Além de se considerarem estes valores para a temperatura exterior, ainda tem de se ter em conta que a cidade do Porto é uma cidade com consideráveis níveis de humidade relativa, isto devido à sua localização no litoral de Portugal e proximidade com a costa portuguesa. A obtenção de dados mais concretos é possível uma vez que este tipo de informação é constantemente registada pelo Instituto de Meteorologia de Portugal. Ao longo de todo o território nacional encontram-se instaladas estações meteorológicas que recolhem dados como temperatura do ar, nível de humidade relativa entre outros. Conforme convencionado pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) o clima é caracterizado pelos valores médios dos vários elementos climáticos num período de 30 anos, designando-se valor normal de um elemento climático o valor médio correspondente a um número de anos suficientemente longo para se admitir que ele representa o valor predominante daquele elemento no local considerado [6]. Para a abordagem deste problema é necessário obter valores de temperaturas exteriores, neste caso para a cidade de Porto. Estes valores são compilados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, U.S. Department of Energy. Este departamento possui uma base de dados com informação referente a mais de 2100 locais, sendo que 1042 são pertencentes aos EUA, 71 no Canadá e mais de 1000 locais provenientes de 100 outros países de todo o mundo incluindo Portugal. A compilação destes dados fica a cargo da Organização Mundial de Meteorologia, World Meteorological Organization (WMO), agência especializada nos Estados Unidos da América [10]. A 4 de dezembro de 2009 encontravam-se registados na WMO 189 Estados membros e Territórios dos quais Portugal é membro desde 15 de janeiro de 1951 [11]. Portugal como país pertencente à Europa encontra-se na região VI definida pela WHO onde se faz representar pelo Instituto de Meteorologia, IP Portugal [10]. Relativamente a Portugal, e na base de dados do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, em Portugal estão registadas 8 localidades que fornecem valores climatéricos: Bragança, Coimbra, Évora, Faro, Funchal, Lajes, Lisboa e Porto [12]. A compilação destes valores é descarregada da internet e convertida num ficheiro Excel que serve de base ao desenvolvimento de toda a tese. Inicialmente são analisadas e determinadas as temperaturas médias diárias num período de 30 anos. De seguida são percorridos os diversos meses dos vários anos até se encontrar para cada mês qual é aquele que apresenta os valores mais próximos da média. A título de exemplo o mês de janeiro de 1993 é o mês onde Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 19 as temperaturas médias diárias mais se aproximam à média no universo dos 30 anos considerados e por isso em janeiro considera-se todas as temperaturas respetivas a janeiro de 1993, e assim sucessivamente. O período de análise considera que os valores médios variam entre 1982 e 1999. Estes valores obtidos para a temperatura exterior servem posteriormente como base de comparação com uma temperatura interior de referência. No entanto os valores apresentados são de difícil análise devido ao extenso período que se considera. A forma que se adota para tornar os valores graficamente mais percetíveis passa pela determinação da média móvel Como tal, e com os valores horários da temperatura exterior nas 8760 horas, começa-se por determinar a média diária da temperatura. Assim reduz-se o tratamento de dados das iniciais 8760 temperaturas para 365, respeitantes aos 365 dias do ano. Posto isto, e considerando um determinado período de dias, determina-se a média móvel através de médias sucessivas na base de dias que se considera. Para esta situação utiliza-se a base de 7 e 31 dias. A Figura 13 representa a evolução da temperatura média diária ao longo de um ano, assim como a temperatura de referência e respetivas médias móveis a 7 e 31 dias. Figura 13 Comportamento anual temperatura média exterior cidade do Porto com médias móveis a 7 e 31 dias e definição de estação de aquecimento e arrefecimento em função de temperatura de referência de 15ºC Como se verifica através da análise da Figura 13, o comportamento das temperaturas exteriores para a cidade do Porto face a uma temperatura de referência de 15ºC apresenta uma evolução de fácil compreensão. Nos meses iniciais do ano verifica-se que a temperatura exterior se encontra na generalidade dos casos abaixo do que se considera como temperatura interior de referência. Por volta do mês de maio a tendência inverte-se encontrando-se as 0 5 10 15 20 25 30 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Temperatura [C] Dia Média diária Temperatura referência 15ºC Média Móvel 7 dias Média Móvel 31 dias Aquecimento Arrefecimento Aquecimento Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 26 A situação que se segue, MC3, segue a tendência de redução de horário. Desta vez não se considera extração 18h por dia mas sim 14 horas. No total 5110 horas num ano, 58,3% do tempo total. Arranque do sistema pelas 8h e finalização pelas 22h, sendo o objetivo tentar verificar qual o impacto em reduzir substancialmente o funcionamento dos sistemas de extração, quanto isso afeta no que diz respeito ao valor final de utilização de energia. O cenário MC4 apresenta uma redução do horário de extração mas com uma diferença face aos cenários que se consideram até então. Agora considera-se funcionamento dos extratores em três períodos diários: um de manhã, outro a meio do dia e um terceiro no final do dia. O período da manhã inicia pelas 6 horas com término às 9 horas, período em que as pessoas se preparam para a rotina diária com os rituais diários de higienização e preparação dos pequenos-almoços. Considera-se que o sistema opera durante as 3 horas em contínuo uma vez que nem todas as pessoas acordam ao mesmo tempo, o que origina consequentes diferentes horários para a preparação de pequenos-almoços e higienização pessoal. Da mesma maneira o período alargado de almoço das 11 às 14h supõe a utilização continua destes sistemas durante 3 horas seguidas. Considerar extração na casa de banho durante este período de tempo eventualmente pode não ser muito representativo, num caso exemplificativo uma pessoa que se desloque a sua casa para almoçar num qualquer dia útil não utiliza a casa de banho seguramente durante uma hora. No período pós-laboral, e com o regresso a casa dos ocupantes das frações autónomas, os sistemas voltam de novo a ser utilizados tal como na parte da manhã uma vez que da mesma maneira como algumas pessoas tem por hábito tomar banho de manhã, com certeza que também há quem prefira fazê-lo no final do dia. Por isso considera-se que os sistemas de extração da casa de banho e cozinha retomem as suas funções por volta das 19h e finalizem por volta das 23h. Considera-se por isso um total de 10 horas diárias de funcionamento de cada sistema, num total de 3650 horas anuais, 41,7% do tempo. Nos restantes 58,3% considera-se ventilação natural. De seguida considera-se o cenário de extração independente (MI): O sistema independente de extração tem como principal diferença face aos cenários centralizados a capacidade de controlo por parte do operador. Neste caso considera-se um exaustor de cozinha munido de um motor. Na casa de banho o extrator pode ser acionado pelo interruptor de luz sendo que muitas vezes são sistemas que vêm munidos de sensores de humidade retardando a desativação deste sistema mesmo depois de desligado o interruptor. Na Tabela 3 encontra-se descrito o perfil de extração que se considera na casa de banho e na cozinha. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 27 Tabela 3 Perfil horário cenário independente para a cozinha e casa de banho Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 MI WC 0,1 0,1 0,1 0,1 MI COZ Desta vez, com funcionamentos independentes um sistema do outro e função dos hábitos dos ocupantes, considera-se que o extrator de casa de banho opera cerca de 1600 horas/ano e o da cozinha 1500 horas/ano. Na casa de banho a extração dá-se essencialmente em quatro períodos diários. Primeiro o sistema opera das 6h às 8h da manhã resultado do aumento de humidade relativa durante um banho. O sistema de extração aqui desempenha um papel importante e deve operar até que o excesso de humidade seja retirado, por isso até se justifica a aplicação do sensor de humidade que mantém o sistema operacional até que o valor de humidade relativa retorne os valores padrões. Num segundo período considera-se o período de meio-dia, o sistema opera apenas 10% do seu tempo, considera-se que um habitante de determinado apartamento deslocando-se a casa para almoçar apenas necessita de pequena higienização desde lavar as mãos e pouco mais, se o sistema for por exemplo de acionamento pelo interruptor da luz não fica ativo durante muito tempo. Numa terceira perspetiva o período pós-laboral também segue tendência idêntica à da parte da manhã, utilização num período máximo de duas horas (dependendo dos hábitos pessoais como se refere anteriormente). Por último, e uma vez que estes sistemas procuram simular o funcionamento de uma residência, considera-se extração antes de finalizar o dia, ou seja, utilização parcial e reduzida do sistema de extração. No que diz respeito à extração na parte da cozinha considera-se períodos iguais de duas horas, período de almoço das12h até 14h e período de jantar das 19h às 21h. Nestas duas alturas do dia a taxa de efluentes libertados para o ar atmosféricos e humidade é maior e por isso é importante que haja extração nesta divisão. Eventualmente são preparadas refeições noutros períodos do dia como o período de pequeno-almoço mas a pouca quantidade de poluentes libertados não exige extração. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 28 2.5. Determinação das necessidades de aquecimento. Para poder estudar o impacto energético da ventilação é necessário determinar as necessidades horárias de aquecimento. Para tal, e pela consulta do Decreto-Lei nº 80/2006 de 4 de Abril (RCCTE), pode-se verificar que as necessidades de aquecimento (Ni) dependem dos seguintes fatores: (2) Onde: – Perdas de calor por condução através da envolvente exterior; – Perdas de calor por renovação de ar; – Ganhos úteis. As perdas de calor por condução através da envolvente exterior consideram quer paredes como coberturas e pavimentos, nesta situação não se trata de um factor importante de determinar. As perdas de calor por renovação de ar é o fator que interessa e descrito em diante. O valor de , ou seja ganhos úteis, é resultante quer da radiação solar que incide sobre a fração autónoma, quer ganhos internos provenientes de equipamentos a operar no interior das frações autónomas e pelos próprios ocupantes. Este termo é considerado nulo uma vez que estes ganhos contribuem de forma positiva para as necessidades de aquecimento. O único valor a ter em conta é por isso , ou seja perdas de calor resultantes de renovação de ar, pois não se pretende nesta situação climatizar mas sim renovar o ar sem controlo da temperatura interior. Tem-se por isso: (3) Da equação vem: (4) Onde: ρ – Massa volúmica do ar, toma correntemente o valor de 1,2 kg/m3; cp – Calor específico do ar, para uma temperatura de 15ºC toma o valor de 1.007 J/kg.ºC; Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 29 V – volume interno da fração autónoma em causa, em m3, multiplicação da área útil de pavimento Ap (m2) com o pé direito Pd (m) da fração autónoma; θi – Temperatura interior de referência, em ºC; θatm – Temperatura da ar exterior, em ºC. Esta é a formulação que permite pois determinar as necessidades de aquecimento associadas à renovação de ar [9]. No entanto esta fórmula precisa ser adaptada a ventilação natural ou ventilação mecânica. A diferença entre estes dois tipos de considerações é que na ventilação natural é conhecido o valor das renovações por hora, Rph, enquanto na ventilação mecânica é necessário determinar este valor através do quociente entre os caudais de extração e o volume interior da fração. Os valores finais de Ni obtêm-se pela soma de cada um dos valores obtidos. (5) 2.6. Determinação do valor das renovações por hora mecânicas e naturais para cada cenário considerado. Para cada cenário criado há que ter em conta o número de renovações horárias, ou seja, Taxa de Renovação do Ar. Segundo o Regulamento das Características de Comportamento Térmico de Edifícios (RCCTE), taxa de renovação do ar é o caudal horário de entrada de ar novo num edifício ou fração autónoma para renovação do ar interior, expresso em múltiplos do volume interior útil do edifício ou da fração autónoma [9]. Para poder determinar esta variável: (6) Sendo: – Caudal de ar novo em m3/h; V – Volume interior da fração autónoma em m3. Quando se ventila mecanicamente há que ter em conta que se os ventiladores responsáveis pela extração do ar extraem um determinado caudal que se for superior ao valor das Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 30 renovações horárias devidas às infiltrações, ventilação natural, fazem com que estes predominem. Porém se se verificar a situação contrária, ou seja, a taxa de infiltrações for superior à taxa de renovação de ar proveniente de um sistema mecânico, então a ventilação mecânica tem de ser contabilizada em conjunto com o valor de renovação de ar o que não é necessário. Voltando à questão da extração mecânica, para uma situação qualquer em que os ventiladores deixam de estar operacionais, o ar continua a ser renovado de forma natural (não é por desligar os ventiladores que as características construtivas da fração autónoma são alteradas), inclusive as próprias condutas que proporcionam a extração mecânica acabam por servir de meio de extração natural se não forem tamponadas e devidamente seladas depois de utilização, o que normalmente não acontece. Uma vez que se considera extração nas cozinhas, é necessário ter em conta qual o caudal de extração nestes compartimentos. De salientar e depois de consulta em catálogos correntes presentes no mercado encontra-se uma diversidade de maquinaria para diversos tipos de aplicação. Eis que se opta por utilizar um valor standard de 300 m3/h. Normalmente o dimensionamento deste tipo de dispositivos tem em conta o volume da própria cozinha e dessa forma se obtém a taxa de renovação de ar exclusivamente nesta divisão. A título de exemplo para uma cozinha de área 11,5 m2 e para um pé direito de 2,6 m obtém-se um volume interior de aproximadamente de 30 m3. Nestas condições o valor de rph para a cozinha é de 10 h-1, ou seja, a cada 6 minutos o ar da cozinha é renovado e considera-se capaz de remover de forma eficaz os poluentes e os odores. Para a fração autónoma que se considera, uma vez que o seu volume interior é de 260 m3 obtém-se um valor de 1,1 h-1. Isto significa que se o extrator da cozinha estiver ligado durante 1 hora consegue extrair 1,1 vezes o volume da fração autónoma. Da mesma maneira a extração na casa de banho considera valores presentes e correntes de mercado. Neste caso considera-se 75 m3/h e se se considerar que a fração autónoma possui uma casa de banho, a título de exemplo, com uma dimensão de 6 m2 e por isso um volume interior de 15,6 m3, a cada hora o extrator consegue renovar 4,8 vezes o volume da casa de banho. A cada 12,5 minutos é renovado o ar da casa de banho. Para a fração autónoma considerada de volume interior de 260 m3/h a taxa de renovação é de 0,3 h-1. Estes valores servem apenas a título de exemplo para precisão caso particular aqui em estudo, se se variar os valores quer de caudal ou até mesmo a volumetria da fração autónoma os valores vêm com valores diferentes. Se porém se considerar que o extrator da cozinha opera apenas em 75% do tempo total então a taxa de ventilação considerada é de 0,9 h-1: (7) Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 31 2.7. Dimensionamento dos ventiladores de extração centralizada Como é enunciado no subcapítulo 2.4., o cenário centralizado MC5 utiliza um valor diferente para o caudal de extração. De seguida é explicado o procedimento de obtenção deste caudal assim como o dimensionamento dos ventiladores de extração centralizada. O ventilador responsável pela extração na cozinha tem de ser dimensionado de forma a conseguir responder de forma eficiente às exigências que lhe são impostas. Considera-se a situação de um ventilador colocado na cobertura de um edifício multifamiliar constituído por 4 pisos, de forma a simplificar a obtenção deste valor, cada piso possui uma fração autónoma de iguais características. O ventilador permite a extração centralizada e repartida pelas quatro frações autónomas e de funcionamento idêntico. A única variável possível de ser controlada pelos ocupantes das frações autónomas em causa é a válvula de acionamento. Posto isto, e para efeitos de dimensionamento, considera-se uma rede de condutas desde o ventilador, até cada uma das frações autónomas. Como exemplo considera-se a instalação representada na Figura 15. Na tabela 4 são enunciados os elementos construtivos. Figura 15 Instalação considerada para efeitos de dimensionamento de ventilador de cozinha Tabela 4 Constituição da instalação utilizada para dimensionamento de ventilador de cozinha Componente # Características da instalação 1 Ventilador de cobertura tipo 2 Conduta circular com 1,5 m 3 Conduta circular com 0,5 m 4 Curva com 90º 5.1 Conduta circular com 3 m entre pisos 0 e 1 5.2 Conduta circular com 3 m entre pisos 1 e 2 5.3 Conduta circular com 3 m entre pisos 2 e 3 5.4 Conduta circular com 3 m entre piso 3 e cobertura 5.5 Conduta circular com 3 m de ligação ao ventilador 6.1 Tê de ligação entre pisos 0 e 1 6.2 Tê de ligação entre pisos 1 e 2 6.3 Tê de ligação entre pisos 2 e 3 7.1 Cotovelo circular de 90º entre ramal secundário e ramal principal 7.2 Cotovelo circular de 90º entre ramal principal e cobertura 8 Junção de conduta de cobertura 5.5 e ventilador 9 Junção entre condutas secundárias e tês 1 2 4 5.1 7.1 6.3 5.2 6.1 5.3 5.4 6.2 5.5 3 7.2 8 9 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 32 Quanto ao tipo de condutas e elementos utilizados atualmente existe uma grande variedade de sistemas disponíveis no mercado. Quanto às condutas essencialmente consideram-se dois grandes grupos: circulares e retangulares. Podem ser consideradas outras geometrias mas essencialmente é mais usual utilizar estas duas geometrias. As condutas circulares são caracterizadas pelo seu custo reduzido, induzem menor perda de carga e geram menos ruído durante a sua utilização apesar de exigirem maiores pés direitos onde são instaladas. As condutas retangulares permitem a sua aplicação em zonas de menor pé direito, desde que a sua relação entre largura/altura nunca seja maior que 5, induzem maior perda de carga e o seu custo é mais elevado comparativamente às circulares. Apesar das características dos dois tipos de condutas representadas anteriormente, e uma vez que não se entra em linha de conta com questões económicas, opta-se por condutas circulares. Como se verifica pela instalação acima, esta é constituída por uma série de condutas e elos de ligação. Para dimensionar o ventilador inicialmente é preciso determinar a perda de carga máxima da instalação. Obtendo este valor e em conjunto com o caudal máximo que se considera, pela consulta de um catálogo de ventiladores é possível selecionar um ventilador em catálogos da especialidade. O Método do Ramal Crítico é o método utilizado para o dimensionamento dos ventiladores. Este processo de dimensionamento passa pela determinação do ramal da instalação cujo valor da perda de carga é maior. Com este valor, e em conjunto com o caudal máximo que o ventilador consegue extrair consegue-se determinar qual o ventilador capaz de cumprir essa tarefa e obter a respetiva potência de funcionamento. A aplicação deste método inicia-se pela determinação das perdas de carga da instalação que podem ser de dois tipos: perdas em linha e perdas localizadas. No que diz respeito a perdas em linha, ΔPL, estas dizem respeito a perdas em condutas. Este valor determina-se recorrendo a tabelas pertencentes ao manual de referência ASHRAE Handbook Fundamentals [14], onde com os valores de velocidade na conduta e respetivo diâmetro da conduta é devolvido o valor da perda em função do comprimento, Pa/m. Na Figura 16 demonstra-se como se obtém o valor. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 33 Figura 16 Diagrama para cálculo de perdas em linha Com o valor obtido na Figura 16 basta multiplicar pelo cumprimento total da conduta em causa: (8) Para a determinação das perdas localizadas, ΔPK, este valor é função da geometria que se considera para o elemento. Podem ser considerados diversos tipos de elementos desde curvas, Tês’s, elos de liga o, etc. Para cada tipologia encontram-se valores de perda de carga respetiva em função das suas dimensões e do caudal a circular no interior do respetivo elemento. Dito isto, e para a instalação que se considera e respetivos componentes (presentes na Tabela 5), e uma vez que a instalação possui muita diversidade exemplifica-se o procedimento de obtenção para um elemento, neste caso o elemento 7.2. (cotovelo circular de 90º entre ramal principal e cobertura). A consulta da tabela presente na Figura 17 permite a obtenção do valor de perda de carga localizada. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 34 Figura 17 Determinação dos coeficientes de descarga para determinação das perdas de carga localizadas Executa-se este procedimento para os restantes elementos sendo que para cada um deles a aplicação da equação (9) permite obter o valor da perda de carga localizada. (9) A determinação da perda de carga total é resultado do somatório entre as perdas de carga em linha e perdas de carga localizadas. (10) Para efeitos de dimensionamento e utilização do Método do Ramal Crítico, considera-se como ramal crítico o piso 0 pois é aquele onde se encontram mais elementos que introduzem maior perda de carga. Apesar de nos restantes pisos não se considerar a perda de carga respetiva aos ramais secundários, o ventilador extrai um caudal de 1200 m3/h, resultante da extração de 300 m3/h por 4 frações. Com isto considera-se que o ventilador está a dimensionado em duas vertentes importantes, máximo caudal e máxima perda de carga. Se o ventilador for projetado nestas características então consegue responder a todas as premissas que lhe sejam impostas. Uma vez que se trata de extração de ar a massa volúmica (ρ) é de 1,2 kg/m3. De seguida é enunciado o procedimento de cálculo efetuado para extração apenas no piso 0. Os cálculos são representados na Tabela 5. Para extração apenas no piso 0 temos de considerar os seguintes elementos: uma conduta do tipo 2, que executa a extração do piso 0; uma conduta do tipo 3; uma curva de 90º (4); condutas do ramal principal 5 (5.1, 5.2, 5.3, 5.4 e 5.5); tês de 6.1 a 6.3; curvas de 90º (7.1 e 7.2); uma junção (8) entre o ventilador e conduta 5.5. Não se considera o elemento 9 uma vez que a extração é efetuada no piso 0. Introduzidos estes valores na Tabela 5 permite obter os valores de perda de carga total. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 35 Tabela 5 Dimensionamento ventilador de cozinha Perda de Carga – Dimensionamento só cozinha Elemento Linha (L) /Localizada (K) Número Caudal (m3/h) Velocidade (m/s) Área (m2) Diâmetro (mm) Co Comprimento (m) Pa/m Perda de Carga (Pa) 2 L 1 300 8,0 1,04E-02 115 0 1,5 8 12 3 L 1 300 8,0 1,04E-02 115 0 0,5 8 4 4 k 1 300 8,0 1,04E-02 115 0,22 0 0 8,45 5.1 L 1 300 8,0 1,04E-02 115 0 3 8 24 5.2 L 1 600 7,8 2,14E-02 165 0 3 4,5 13,5 5.3 L 1 900 7,9 3,14E-02 200 0 3 3,5 10,5 5.4 L 1 1200 8,0 4,16E-02 230 0 3 3,2 9,6 5.5 L 1 1200 8,0 4,16E-02 230 0 3 3,2 9,6 6.1 k 1 600 7,8 2,14E-02 165 0,58 0 0 22,08 6.2 k 1 900 7,9 3,142-02 200 0,21 0 0 8,06 6.3 k 1 1200 8,0 4,16E-02 230 -0,08 0 0 -3,07 7.1 k 1 300 8,0 1,04E-02 115 0,22 0 0 8,45 7.2 k 1 1200 8,0 4,16E-02 230 0,22 0 0 8,45 8 k 1 1200 8,0 4,16E-02 230 0,06 0 0 2,3 9 k 0 300 8,0 1,04E-02 115 0,1 0 0 0 138 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 42 Ao contrário das necessidades de aquecimento em que apenas interessa contabilizar na estação de aquecimento (de 4 de outubro a 12 de maio), os ventiladores pelo contrário operam o ano inteiro. (11) Onde: Pv corresponde à potência do ventilador em causa, em W; h – Número de horas de funcionamento; 1.000 – Fator de conversão de Watt para quilowatt; Ap – Área efetiva da fração autónoma considerada [9]. Como potências efetivas tem-se para o sistema centralizado 37,5 W no caso da cozinha, provenientes da divisão da potência total de 150 W por 4 frações autónomas consideradas. Para a casa de banho 5 W, provenientes da divisão da potência total de 20 W pelas 4 frações autónomas. Para o caso do sistema independente, na cozinha considera-se um extrator com motor incorporado, disponível em lojas da especialidade e com potência de 85 W. A casa de banho utiliza o mesmo procedimento, extrator com motor acoplado e que debita uma potência de 15 W. No final consideram-se as necessidades de aquecimento com o consumo dos ventiladores. No entanto o valor das necessidades de aquecimento vem em energia útil e não energia final. Para essa conversão divide-se então as necessidades de aquecimento pelo rendimento do sistema de climatização considerado. (12) Para uma fração autónoma que disponha de um sistema relativamente comum de climatização por caldeira a combustível gasoso, sistema correntemente utilizado através da instalação de uma caldeira e por uma rede de radiadores dispostos na fração autónoma. O valor de referência presente no RCCTE de rendimento de um sistema deste tipo é de 87% e aquele que se utiliza, no entanto para diferentes tipos de sistemas do género obtêm-se rendimentos função do tipo de equipamento [9]. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 43 3. Apresentação e discussão de resultados Depois de se definir a metodologia a ter em conta no desenvolvimento da tese de seguida são demonstrados os resultados obtidos. Relembra-se que a fração autónoma que se considera mantém as mesmas propriedades consideradas anteriormente e que estão descritas na Tabela 8. Tabela 8 Caraterísticas fração autónoma considerada para os diversos cenários Pd [m] Ap [m2] V [m3] 2,6 100 260 3.1. Comparação entre cenários de ventilação natural (VN) Os cenários de ventilação natural apenas divergem uns dos outros na qualidade construtiva considerada para a fração autónoma que se considera, ou seja estanquicidade da mesma. Como já se referiu na metodologia a sua principal funcionalidade é servir de termo de comparação quando se consideram sistemas de extração mecânicos. Nestes cenários considera-se que os sistemas de extração estão desligados e a renovação de ar provém apenas de infiltrações de ar. Para cada uma das taxas de infiltração consideradas, determinam-se os valores horários das necessidades de aquecimento (Ni), Figura 25. Figura 25 Necessidades de aquecimento horárias para taxa de infiltrações de 0,2 h-1, 0,4 h-1, 0,6 h-1 e 1 h-1 Numa primeira análise verifica-se que independentemente da taxa de infiltrações que se considera, o comportamento de Ni é idêntico em todos, ou seja, são mais elevadas nas primeiras horas do dia assim como nas horas finais. Além disso é possível verificar que o 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora 0,2 h-1 0,4 h-1 0,6 h-1 1 h-1 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 44 valor máximo é atingido por volta das 5h da manhã independentemente da taxa de infiltrações que se considera. O valor mínimo é registado entre as 13h e as 15h para uma taxa de 0,2 h-1 enquanto nos restantes cenários a entre as 14h e as 15h. Os valores da Figura 25 são então transferidos para a Tabela 9 para melhor análise dos resultados. Tabela 9 Necessidades de aquecimento horárias para todas as taxas de infiltração Cenário Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N1 para 0,2h-1 [kWh/m2] 0,20 0,21 0,20 0,22 0,23 0,22 0,22 0,21 0,17 0,12 0,08 0,06 N2 para 0,4h-1 [kWh/m2] 0,40 0,42 0,40 0,44 0,45 0,43 0,45 0,41 0,34 0,24 0,17 0,12 N3 para 0,6h-1 [kWh/m2] 0,60 0,62 0,60 0,66 0,68 0,65 0,67 0,62 0,51 0,36 0,25 0,19 N4 para 1h-1 [kWh/m2] 0,99 1,04 1,00 1,10 1,13 1,08 1,12 1,04 0,85 0,59 0,41 0,31 Cenário Hora 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Total [kWh/m2] N1 para 0,2h-1 [kWh/m2] 0,04 0,04 0,04 0,05 0,06 0,08 0,12 0,14 0,14 0,17 0,18 0,18 3,4 N2 para 0,4h-1 [kWh/m2] 0,09 0,08 0,08 0,09 0,13 0,17 0,24 0,28 0,29 0,34 0,35 0,36 6,8 N3 para 0,6h-1 [kWh/m2] 0,13 0,12 0,12 0,14 0,19 0,25 0,35 0,42 0,43 0,51 0,53 0,54 10,1 N4 para 1h-1 [kWh/m2] 0,22 0,20 0,20 0,23 0,32 0,41 0,59 0,70 0,72 0,84 0,88 0,90 16,9 A análise da Tabela 9 permite compreender que entre as 14h e 15h, Ni tende a ser mais reduzido, tal deve-se ao efeito do aumento da temperatura exterior com o decorrer do dia e aproximação deste valor com a temperatura interior de referência, neste caso 15ºC. Com o aproximar da noite, a temperatura exterior volta a diminuir e o gradiente térmico tem tendência a aumentar, logo Ni aumenta. Entre cada um dos cenários verifica-se que a estanquicidade está diretamente relacionada com Ni, ou seja, quanto maior é a taxa de infiltrações, ou quanto menor a estanquicidade, maior é o caudal de ar novo introduzido e por isso mais massa de ar é necessária ser aquecida. A análise mensal de Ni, Figura 26 e Tabela 10, permite verificar que o comportamento de Ni é semelhante à análise horária, isto é, em meses de temperaturas mais baixas como sendo os meses referentes à estação de inverno, de dezembro a março, Ni é mais elevado. Com o aproximar da estação de verão, onde se registam temperaturas exteriores mais elevadas, o valor de Ni tem tendência a decrescer, resultado do crescente aumento da temperatura exterior Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 45 e consequente aproximação desta temperatura com a temperatura interior de referência que se considera. Figura 26 Necessidades de aquecimento mensais Tabela 10 Necessidades de aquecimento por infiltrações mensais Cenário Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho N1 para 0,2h-1 [kWh/m2] 0,74 0,53 0,48 0,32 0,14 - N2 para 0,4h-1 [kWh/m2] 1,5 1,1 0,95 0,65 0,27 - N3 para 0,6h-1 [kWh/m2] 2,2 1,6 1,4 0,97 0,41 - N4 para 1h-1 [kWh/m2] 3,7 2,7 2,4 1,6 0,68 - Cenário Mês Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Total [kWh/m2] N1 para 0,2h-1 [kWh/m2] - - - 0,14 0,40 0,62 3,4 N2 para 0,4h-1 [kWh/m2] - - - 0,28 0,80 1,2 6,8 N3 para 0,6h-1 [kWh/m2] - - - 0,42 1,2 1,9 10,1 N4 para 1h-1 [kWh/m2] - - - 0,70 2,0 3,1 16,9 Como é de esperar, independentemente do tipo de período que se considere para análise, os valores totais mantêm-se inalterados: 3,4 kWh/m2 para N1, 6,8 kWh/m2 para N2, 10,1 kWh/m2 para N3 e 16,9 kWh/m2 para N4. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Ni [kWh/m2] Mês 0,2 h-1 0,4 h-1 0,6 h-1 1 h-1 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 46 Em suma, à medida que o nível de estanquicidade de uma fração autónoma diminui, maior é o caudal por infiltrações e por isso maiores são as necessidades de aquecimento. Considerar taxas de infiltrações de 0,2 h-1 e mesmo de 0,4 h-1 em construção portuguesa é pouco provável uma vez que as condições climatéricas são pouco adversas em Portugal. Os valores de 0,6 h-1 e 1 h-1 são mais considerados; 0,6 h-1 pelo mínimo exigível na atual pela legislação e 1 h-1 por aquilo que se considera mais comum. Independentemente de qual o período que se considere em análise verifica-se que o valor total da cada uma das taxas de infiltração é sempre o mesmo e encontram-se registados na Tabela 11. Estes valores servirão de base de comparação com os cenários de extração mecânica. Tabela 11 Tabela resumo dos valores Ni para as várias taxas de infiltração Cenário Ni [kWh/m2] N1 3,4 N2 6,8 N3 10,1 N4 16,9 3.2. Comparação entre cenários de ventilação mecânica A ventilação híbrida, considerada no desenvolvimento desta tese, pressupõe a extração mecânica em duas divisões como já foi referido, casa de banho e cozinha. A introdução de sistemas mecânicos de extração permite ventilar maiores caudais de ar novo, o que certamente resultará numa maior eficácia de ventilação. A extração pode ser conseguida de duas formas: extração centralizada e independente. Inicia-se a apresentação e discussão dos resultados pelos cenários centralizados. Cenários centralizados (MC): Na Tabela 12 são introduzidas todas as características dos cenários respetivos à extração centralizada. O cenário MC5 não vê as suas características representadas na Tabela 12 uma vez que a obtenção dos seus valores prevê outra metodologia Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 47 Tabela 12 Características cenários centralizados de extração Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 Horas anuais VN 0 0% 2190 25% 3650 41,7% 5110 58,3% Horas anuais VMec_WC 8760 100% 6570 75% 5110 58,3% 3650 41,7% Horas anuais VMec_Coz 8760 100% 6570 75% 5110 58,3% 3650 41,7% Caudal WC [m3/h] Caudal Coz [m3/h] 75 300 75 300 75 300 75 300 Rph N/ %Rph N [h-1] 0,6 0 0,6 0,2 0,6 0,3 0,6 0,4 Rph VMec_WC / % Rph VMec_WC [h-1] 0,3 0,3 0,3 0,2 0,3 0,2 0,3 0,1 Rph VMec_Coz / % Rph VMec_Coz [h-1] 1,1 1,1 1,1 0,9 1,2 0,7 1,2 0,5 Rph Total / % Rph Total [h-1] 1,4 1,4 1,4 1,1 1,4 0,8 1,4 0,6 Consumo ventilador WC [kWh/m2] 0,4 0,3 0,3 0,2 Consumo ventilador Coz [kWh/m2] 3,3 2,5 1,9 1,4 Consumo Total [kWh/m2] 3,7 2,8 2,2 1,6 Relativamente aos consumos de eletricidade dos ventiladores que estão enunciados na Tabela 12, a obtenção dos seus valores é tratada posteriormente. Os ventiladores que se consideram para a extração centralizada originam taxas de renovação horárias de 1,1 h-1, no caso do ventilador de cozinha e 0,3 h-1 para o ventilador de casa de banho, perfazendo um total de 1,4 h-1. O valor da taxa de renovação de ar é função do número de horas de extração que se considera em cada cenário. No caso do cenário MC1, e uma vez que se considera 100% de extração mecânica, a taxa de renovação total é de 1,4 h-1, somatório da taxa de renovação da cozinha com a renovação na casa de banho. No entanto nos restantes cenários, e com a consequente redução de extração mecânica, a taxa de renovação total tem de ter em conta a percentagem de funcionamento dos ventiladores. Os valores que se consideram pressupõem uma taxa de infiltração da fração autónoma de 0,6 h-1 sendo que posteriormente se demonstram os valores para as restantes taxas de infiltração. No entanto, e para uma dada hora, se a taxa de renovação de ar por sistemas mecânicos for superior ao valor da taxa de renovação de ar por infiltrações, neste caso 0,6 h-1, então o efeito da ventilação natural pode ser ignorado uma vez que os sistemas mecânicos predominam sobre a ventilação natural. Feitas as devidas considerações determinam-se as necessidades de aquecimento sendo que na Tabela 13 pode-se encontrar o valor horário para cada um dos cenários Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 48 Tabela 13 Necessidades de aquecimento para os cenários centralizados considerando taxa de infiltração de 0,6 h-1 Cenário Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Total [kWh/m2] MC1 WC 0,29 0,30 0,29 0,32 0,33 0,31 0,32 0,30 0,24 0,17 0,12 0,09 0,06 0,06 0,06 0,07 0,09 0,12 0,17 0,20 0,21 0,24 0,26 0,26 4,9 MC1 Coz 1,1 1,2 1,2 1,3 1,3 1,3 1,3 1,2 0,98 0,68 0,48 0,36 0,26 0,23 0,23 0,26 0,36 0,48 0,68 0,81 0,83 0,97 1,0 1,0 19,5 MC2 WC - - - - - 0,31 0,32 0,30 0,24 0,17 0,12 0,09 0,06 0,06 0,06 0,07 0,09 0,12 0,17 0,20 0,21 0,24 0,26 - 3,1 MC2 Coz - - - - - 1,3 1,3 1,2 0,98 0,68 0,48 0,36 0,26 0,23 0,23 0,26 0,36 0,48 0,68 0,81 0,83 0,97 1,0 - 12,4 MC2 VN 0,60 0,62 0,60 0,66 0,68 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0,54 3,7 MC3 WC - - - - - - - 0,30 0,24 0,17 0,12 0,09 0,06 0,06 0,06 0,07 0,09 0,12 0,17 0,20 0,21 - - - 2,0 MC3 Coz - - - - - - - 1,2 0,98 0,68 0,48 0,36 0,26 0,23 0,23 0,26 0,36 0,48 0,68 0,81 0,83 - - - 7,8 MC3 VN 0,60 0,62 0,60 0,66 0,68 0,65 0,67 - - - - - - - - - - - - - - 0,51 0,53 0,54 6,1 MC4 WC - - - - - 0,31 0,32 0,30 - - 0,12 0,09 0,06 - - - - - 0,17 0,20 0,21 0,24 - - 2,0 MC4 Coz - - - - - 1,3 1,3 1,2 - - 0,48 0,36 0,26 - - - - - 0,68 0,81 0,83 0,97 - - 8,1 MC4 VN 0,60 0,62 0,60 0,66 0,68 - - - 0,51 0,36 - - - 0,12 0,12 0,14 0,19 0,25 - - - - 0,53 0,54 5,9 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 49 Da mesma maneira que na situação de ventilação exclusivamente natural, durante a madrugada e no período da noite (da 1h às 9h e das 19h às 24h), as necessidades de aquecimento são substancialmente maiores, resultado da maior diferença entre as temperaturas interior e exterior. No restante período, e com o consecutivo aumento da temperatura exterior e aproximação desta à temperatura interior de referência as necessidades de aquecimento são mais reduzidas. O cenário centralizado MC1 apresenta os valores de Ni mais elevados quer para a cozinha, 19,5 kWh/m2, quer para a casa de banho, 4,9 kWh/m2. Isto é o resultado dos extratores operarem 24h por dia. Estes valores não são dependentes da taxa de renovação de ar por infiltrações. Já o cenário MC2 vê a sua utilização dos extratores reduzir 25% do tempo, ou seja em vez das 24h de extração diárias passa a 18h. Isto resulta numa diminuição do valor total de Ni dos 4,9 kWh/m2 para os 3,1 kWh/m2 no caso do extrator da casa de banho e de 19,5 kWh/m2 para 12,4 kWh/m2 no caso de extração na cozinha. Uma vez que os extratores vão funcionar durante menos tempo, o seu impacto é menor. No cenário MC3 em que se considera extração durante 14 horas diárias, com início às 8h e finalização pelas 22h, Ni vê os seus valores reduzirem novamente. O valor de Ni respeitante à casa de banho é agora de 2,0 kWh/m2 já a cozinha passa a 7,8 kWh/m2. A consideração de 58,3% de extração mecânica neste cenário, e como tal 41,7% do tempo os extratores estão desligados, o valor respeitante a Ni na casa de banho é de menos 35% face a MC2. Já na cozinha a redução do valor de Ni é de 36% quando comparada com o mesmo cenário MC2. No entanto no cenário MC4 a tendência até então verificada inverte-se, ou seja, apesar de em MC4 se reduzir à percentagem de extração mecânica como até então se tem efetuado, agora com 41,7% num total de 10h diárias, o valor de Ni que se esperava ver reduzir aumenta mesmo que em pouca escala. Agora com 8,1 kWh/m2 na cozinha, e 2,0 kWh/m2 na casa de banho que não vê o seu valor alterado. Ainda assim é curioso verificar que se trata de um aumento de 3,8%. A Tabela 13 é resultado da aglomeração de todos os cenários, no entanto e para perceber a evolução das necessidades de aquecimento cenário a cenário, de seguida demonstram-se os gráficos respetivos a cada situação. Isto permite compreender de forma separada o comportamento entre as diversas situações. Relembra-se que a taxa de infiltração é de 0,6 h-1 nesta primeira abordagem. Inicia-se pelo cenário MC1, onde a Figura 27 apresenta os valores de Ni horárias. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 50 Figura 27 Necessidades de aquecimento horárias para MC1 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Como se verifica em MC1 a extração mecânica predomina, a influência da componente natural é nula, ou seja, este cenário certamente apresenta os valores de Ni máximos. No entanto os cenários MC2 e MC3 representados respetivamente pelas Figuras 28 e 29 demonstram que a redução do período de extração mecânica resulta num aumento da parcela de ventilação natural. Ni vê o seu valor reduzir com a diminuição do funcionamento dos extratores. Figura 28 Necessidades de aquecimento horárias para MC2 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora WC Cozinha 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora WC Cozinha 0,6 h-1 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 51 Figura 29 Necessidades de aquecimento horárias para MC3 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 O cenário MC4, presente na Figura 30, apesar de se manter a tendência de diminuição da contribuição de extração mecânica e consequente aumento de ventilação natural ainda assim as necessidades de aquecimento devido à parte mecânica aumentam. Figura 30 Necessidades de aquecimento horárias para MC4 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Ao se analisar em pormenor o perfil horário entre os cenários MC3 e MC4, averigua-se que apesar de em MC4 os extratores operarem durante menos 16,7% do tempo face a MC3, a extração em MC4 opera em horas de maior gradiente térmico e por isso Ni apresenta valores maiores. Na sexta hora do cenário MC4, Tabela 13, o valor total de Ni é de 1,6 kWh/m2 face aos 0,65 kWh/m2 de MC3, ou seja um aumento de 0,95 kWh/m2. O mesmo se passa na sétima hora, MC4 obtém os mesmos 1,6 kWh/m2 face aos 0,67 kWh/m2 de MC3, diferença de 0,93 kWh/m2. Ou seja, apenas num período de duas horas MC4 apresenta mais 1,9 kWh/m2 que 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora WC Cozinha 0,6 h-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora WC Cozinha 0,6 h-1 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 58 Nas Tabelas 19 e 20 os valores de Ni horários e mensais estão respetivamente representados. Tabela 19 Necessidades de aquecimento horárias para o cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Cenário Hora 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 MC5 WC - - - - - 0,31 0,32 - - - - 0,01 MC5 Coz - - - - - - - - - - - 0,84 MC5 VN 0,60 0,62 0,60 0,66 0,68 0,34 0,35 0,62 0,51 0,36 0,25 - Cenário Hora 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Total [kWh/m2] MC5 WC 0,01 - - - - - 0,17 0,20 - - 0,03 0,03 1,1 MC5 Coz 0,60 - - - - - 1,6 1,9 - - - - 4,9 MC5 VN - 0,12 0,12 0,14 0,19 0,25 - - 0,43 0,51 0,51 0,51 8,4 Os valores totais de Ni para a casa de banho e de renovação de ar por via natural presentes nas Tabelas 19 e 20 são exatamente os mesmos obtidos nas Tabela 16 e 17 no caso do cenário independente MI, neste caso 1,1 kWh/m2 para casa de banho e 8,4 kWh/m2 para ventilação natural. A diferença surge no valor respeitante à extração na cozinha, que agora é de 4,9 kWh/m2 face a 2,1 kWh/m2 obtido em MI, aumento de 133%. Isto resulta do aumento mais do que para o dobro do valor do caudal de extração da cozinha (133% resultado da passagem de 300 m3/h para 698 m3/h). Mais não era espectável senão que isto fosse acontecer, o mesmo sistema, para a mesma fração, duplica-se caudal logo o valor de Ni aumenta. Tabela 20 Necessidades de aquecimento mensais para o cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Cenário Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro Total kWh/m2 MC5 WC 0,24 0,16 0,15 0,11 0,04 - - - - 0,05 0,13 0,19 1,1 MC5 Coz 1,3 0,76 0,61 0,37 0,11 - - - - 0,12 0,62 1,04 4,9 MC5 VN 1,8 1,3 1,2 0,82 0,35 - - - - 0,36 0,99 1,52 8,4 No entanto, e mesmo com o aumento do caudal de extração da cozinha, ainda assim há uma predominância de Ni em renovação por infiltrações, assumindo o papel principal e de maior peso da renovação de ar. Graficamente verifica-se esta tendência mensalmente na Figura 38. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 59 Figura 38 Necessidades de aquecimento mensais para o cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Quando se liga a extração mecânica na casa de banho, o impacto deste sistema face à taxa de infiltrações é muito reduzido, uma vez que taxa de infiltrações é de 0,6h-1 face aos 0,3h-1 da casa de banho. Já a cozinha quando está a funcionar num período de uma hora consegue extrair um caudal superior ao das taxas de infiltração. A Figura 39 permite compreender que a ativação do sistema de extração na cozinha faz com que este seja predominante. Figura 39 Necessidades de aquecimento horárias para cenário centralizado MC5 e taxa de infiltração de 0,6 h-1 Uma vez que o cenário MI já vinha a responder da mesma maneira, MC5 varia apenas o caudal de extração da cozinha que por si só sempre foi um sistema com elevado impacto, a mais que duplicação do seu caudal veio demonstrar isso mesmo. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Ni [kWh/m2] Mês WC Cozinha 0,6 h-1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ni [kWh/m2] Hora WC Cozinha 0,6 h-1 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 60 Depois de se determinarem todos os valores de Ni para os cenários que se consideram, elabora-se uma tabela, Tabela 21, onde se compilam todos os dados. Além desta possuir os valores para todas as taxas de infiltração. Tabela 21 Quadro resumo das necessidades de aquecimento para os vários centralizados e independente e as várias taxas de infiltração Cenário Ni para taxa de infiltração de 0,2 h-1[kWh/m2] Ni para taxa de infiltração de 0,4 h-1[kWh/m2] Ni para taxa de infiltração de 0,6 h-1[kWh/m2] Ni para taxa de infiltração de 1,0 h-1[kWh/m2] MC1 24,4 24,4 24,4 24,4 MC2 16,7 17,9 19,2 21,6 MC3 11,8 13,8 15,9 19,9 MC4 12,1 14,1 16,1 20,0 MC5 8,5 11,3 14,3 20,4 MI 5,7 8,5 11,5 17,6 Entre os vários cenários de extração, e pela análise da Tabela 21, verifica-se que:  Para o cenário MC1, independentemente da taxa de infiltração, o valor de Ni permanece inalterável 24,4 kWh/m2, resultado da não consideração de qualquer período de ventilação natural;  No cenário MC2, a redução de 25% no funcionamento dos extratores resulta num decréscimo de Ni para 16,7 kWh/m2 para 0,2 h-1 de taxa de infiltração (32% menos); 17,9 kWh/m2 para 0,4 h-1 (redução de 27%); 19,2 kWh/m2 para 0,6 h-1 (21% a menos) e 21,6 kWh/m2 no caso de 1,0 h-1, 11% quando comparado com MC1.  No cenário MC3 o tempo de funcionamento dos extratores é de 58,3%, redução de 41,7% quando comparado com MC1 o que resulta em reduções de Ni de 52% (agora de 11,8 kWh/m2) para 0,2 h-1, 43% para 0,4 h-1 (agora de 13,8 kWh/m2), 35% para 0,6 h-1 (agora de 15,9 kWh/m2) e 18% para 1,0 h-1 cujo valor de Ni é de 19,9 kWh/m2  No entanto no cenário MC4, e com o funcionamento dos extratores 41,7% do tempo e para uma qualquer taxa de infiltração, Ni aumenta comportando-se de maneira diferente do que se previa. Em 0,2 h-1 Ni é de 12,1 kWh/m2; 14,1 kWh/m2 para 0,4 h-1; 16,1 kWh/m2 em N3 e 20 kWh/m2 quando se considera estanquicidade de 1,0 h-1. Apesar de em MC3 extrair durante mais tempo face a MC4, em MC4 a extração é providenciada em horas de maior gradiente térmico, e por isso Ni é mais elevado.  Na transição de MC4 para MC5, verifica-se que em caso de infiltração elevada, 1 h-1 em vez de Ni decrescer, como se comprova nos outros 3 casos de estudo, aumenta, de 20 kWh/m2 para 20,4 kWh/m2. Apesar de ser um aumento muito reduzido o que acontece é que MC4 funciona durante mais tempo do que o cenário MC5, no entanto o caudal de Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 61 extração é menor resultado da parcela respeitante à ventilação natural. A taxa de infiltrações considerada para MC5 é de mais que 80%, e por isso representa um peso considerável.  Na análise sistemas centralizados versus sistema independente o sistema independente consegue obter os melhores resultado sendo o que obtém os valores de Ni mais reduzidos entre as seis situações: 5,7 kWh/m2 para taxa de infiltração de 0,2 h-1; 8,5 kWh/m2 em 0,4 h-1; 11,5 kWh/m2 no caso de estanquicidade de 0,6 h-1 para a fração autónoma em causa e 17,6 kWh/m2 em 1,0 h-1. 3.4. Impacto da ventilação mecânica A introdução de sistemas mecânicos de extração introduz impacto a nível das necessidades de aquecimento quando anteriormente apenas se considerava ventilação por meios naturais. Este impacto é o que realmente se pretende compreender. Desta forma, determina-se a diferença entre os valores das necessidades de aquecimento totais dos vários cenários de extração obtidos nos subcapítulos 3.2 e 3.3 com o respetivo valor de ventilação natural considerada no subcapítulo 3.1. Posto isto, na Tabela 22 demonstra-se o impacto da introdução dos vários sistemas de extração face ao valor de ventilação natural para todas as taxas de infiltração. Mais em diante na Tabela 23 pode-se encontrar a variação do valor das necessidades de aquecimento entre os vários cenários de extração. Tabela 22 Impacto da introdução dos vários cenários de extração face ao valor de ventilação natural para as várias taxas de infiltração em kWh/m2 Cenário 0,2h-1 0,4h-1 0,6h-1 1,0h-1 MC1 21,0 17,6 14,2 7,5 MC2 13,3 11,2 9,0 4,7 MC3 8,4 7,1 5,7 3,0 MC4 8,7 7,3 5,9 3,1 MC5 5,1 4,6 4,2 3,5 MI 2,3 1,8 1,4 0,7 Tabela 23 Variação do valor das necessidades de aquecimento entre os vários cenários de extração em kWh/m2 Cenário 0,2h-1 0,4h-1 0,6h-1 1,0h-1 Diferença MC2-MC1 -7,7 -6,4 -5,2 -2,8 Diferença MC3-MC2 -4,9 -4,1 -3,3 -1,7 Diferença MC4-MC3 0,3 0,2 0,2 0,1 Diferença MC5-MC4 -3,6 -2,7 -1,7 0,4 Diferença MI-MC5 -2,8 -2,8 -2,8 -2,8 Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 62  Numa primeira análise verifica-se que a diminuição da utilização de sistemas mecânicos possibilita uma compensação da ventilação natural o que origina o decréscimo de Ni.  Como se pode verificar pela análise da Tabela 22, o cenário MC1 apresenta o maior impacto entre todos os cenários de extração resultado da consideração de um alargado horário de extração. Este cenário representa um claro desperdício energético quando comparado com outros cenários de extração centralizada. Para a taxa de infiltração de 0,2 h-1, ou seja considerada uma fração autónoma com elevada estanquicidade o impacto deste sistema é de 21 kWh/m2. Para as restantes taxas de infiltração o impacto é menor quando comparados com o valor de 0,2 h-1: 17,6 kWh/m2 para 0,4 h-1, 14,2 kWh/m2 para 0,6 h-1 e 7,5 kWh/m2 para 1,0 h-1. Ainda esta é a situação de maior impacto entre todos os cenários definidos, isto resulta da extração ser realizada 24 horas por dia.  No cenário MC2 a redução de 25% do funcionamento dos extratores proporciona um decréscimo de Ni. Para 0,2 h-1 de taxa de infiltração o valor de Ni assume agora os 13,3 kWh/m2 contra os 21,0 kWh/m2 iniciais. Pela Tabela 23 pode-se compreender que esta transição origina um decréscimo na ordem dos 7,7 kWh/m2 (37% menos). Aumentando a taxa de infiltração para 0,4 h-1 a diferença registada é menor; 6,4 kWh/m2 resultado do decréscimo de 17,6 kWh/m2 para 11,2 kWh/m2 (36% mais reduzida). Para os restantes valores tendência de redução dos valores de Ni mantém-se 5,2 kWh/m2 para 0,6 h-1 e 2,8 kWh/m2 para 1,0 h-1 (Tabela 23).  Do cenário MC1 a MC3, a utilização dos sistemas de extração é cada vez menor, de 24h passa a 18h e agora 14h, 42% menos de extração face a MC1. Isto significa que o impacto dos sistemas mecânicos é tendencialmente menor: para 0,2 h-1 é registado um Ni de 8,4 kWh/m2, menos 60% do gasto energético face a MC1 e 36% menos face a MC2; para 0,4 h-1 é registado um Ni de 7,1 kWh/m2, menos 60% quando comparado com MC1 que vê o valor na ordem dos 17,6 kWh/m2 e 37% menos face a MC2 que vê o valor na ordem dos 11,2 kWh/m2. Para 0,6 h-1 a tendência mantém-se, Ni em MC3 de 5,7 kWh/m2 menos 3,3 kWh/m2 que MC2 (37%) e 60% do gasto energético face a MC1. Em 1,0 h-1 dos 7,5 kWh/m2 obtidos em MC1 agora em MC3 é de 3,0 kWh/m2. Do cenário MC1 para MC2 verifica-se um decréscimo na ordem dos 37% dos valores independentemente da taxa de infiltrações consideradas com uma redução de 25% do tempo de funcionamento dos extratores. A transição de MC2 para MC3 prevê uma diminuição de aproximadamente 37% de Ni quando a percentagem de extração mecânica representa 58,3% do tempo em MC3. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 63  A transição do cenário MC3 para MC4, a tendência inverte-se e verifica-se um aumento de Ni. Apesar de MC4 ventilar menos tempo que MC3, cerca de 4 horas diárias a menos, fá-lo a horas de maior gradiente térmico, neste caso no sexta, sétima e vigésima segunda horas representando um acrescento de 2,6 kWh/m2 de MC4 face a MC3, ou seja um aumento na ordem dos 3,5% do valor total de Ni.  O cenário MC5 para 0,2 h-1 Ni é de 5,1 kWh/m2, para 0,4 h-1 é registado um Ni de 4,6 kWh/m2, para 0,6 h-1 é registado um Ni de 4,2 kWh/m2 e para 1,0 h-1 é registado um Ni de 3,5 kWh/m2. Face a MI, demonstrado no ponto a seguir, os valores mais do que duplicam função do aumento do caudal de extração do extrator de cozinha.  O cenário de extração independente MI, quando se efetua uma comparação entre todos os cenários, é o que apresenta menor impacto em todas as taxas de infiltração: para 0,2 h-1 é registado um Ni de 2,3 kWh/m2, para 0,4 h-1 1,8 kWh/m2, para 0,6 h-1 é registado um Ni de 1,4 kWh/m2 e para 1,0 h-1 Ni é de 0,7 kWh/m2. O facto de ser o cenário com impacto mais reduzido resulta do número reduzido de horas de funcionamento deste sistema; 18,3% do extrator de casa de banho e 16,7% do extrator de cozinha. Da mesma maneira este cenário vê o seu impacto diminuir função do aumento das taxas de infiltração que se consideram (Tabela 22). Estes valores que se apresentam consideram as necessidades de aquecimento, no entanto ainda há que se considerar o consumo de eletricidade por parte dos ventiladores utilizados. 3.5. Consumo de eletricidade dos ventiladores nos cenários de ventilação mecânica Os extratores responsáveis pela extração de ar na cozinha e casa de banho são consumidores de eletricidade. Como tal torna-se necessário determinar o consumo elétrico destes. Do cenário MC1 ao MC5, considera-se extratores de potência centralizada:  Potência extrator cozinha: 150 W, que repartidos pelas 4 frações autónomas que se considera na simulação no subcapítulo 2.7. o que faz um total de 37,5 W por fração;  Potência extrator casa de banho: 20 W, que repartidos pelas 4 frações autónomas que se considera na simulação no subcapítulo 2.7. o que faz um total de 5 W por fração. No sistema independente MI, por uma fração autónoma (ver Anexo C):  Potência extrator cozinha de 85 W;  Potência extrator casa de banho de 15W. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 64 No entanto, o consumo de eletricidade dos ventiladores de extração é função do número de horas de funcionamento dos mesmos. Apesar da potência do ventilador centralizado ser inferior à do ventilador independente, em algumas situações estes operam durante mais tempo e por isso resulta em consumos superiores. Na Tabela 24 são enunciados os respetivos consumos de eletricidade para os vários cenários de extração. Tabela 24 Consumo de eletricidade dos ventiladores para os vários cenários considerados Cenário Consumo de eletricidade extrator de casa de banho [kWh/m2] Consumo de eletricidade extrator de cozinha [kWh/m2] Consumo de eletricidade Total [kWh/m2] MC1 0,4 3,3 3,7 MC2 0,3 2,5 2,8 MC3 0,3 1,9 2,2 MC4 0,2 1,4 1,6 MC5 0,1 0,5 0,6 MI 0,2 1,2 1,5  Como se verifica, o sistema centralizado MC1 possui o consumo de eletricidade mais elevado de todos os cenários; 3,7 kWh/m2. Uma vez mais demonstra que se trata de um cenário de extração desperdiçador de energia.  O cenário MC2 devido a redução do número de funcionamento dos ventiladores, 18 horas por dia 365 dias por ano, permite obter uma redução no consumo de eletricidade total dos ventiladores para 2,8 kWh/m2, 25% menos quando comparado com MC1. Como a potência dos ventiladores é a mesma que MC1, e uma vez que o consumo é função do número de horas de extração, se os ventiladores funcionarem durante menos tempo então o consumo de eletricidade é menor.  A mesma tendência é verificada em MC3 e MC4, nova redução do número de horas de funcionamento dos ventiladores resulta em menores consumos de eletricidade dos mesmos, neste caso 2,2 kWh/m2 e 1,6 kWh/m2 respetivamente. Apesar do consumo ser mais reduzido estes cenários ainda não apresentam consumos que os tornem vantajosos face às situações seguintes.  O cenário MC5 é o que permite obter o menor consumo de eletricidade quer entre cenários centralizados e na generalidade dos valores determinados; 0,6 kWh/m2. Este valor é resultado de duas componentes. Primeiro o cenário MC5 opera segundo o horário de funcionamento de MI obtendo a vantagem de trabalhar um número reduzido de horas. A segunda vantagem deste sistema é aproveitar a melhor característica dos Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 65 cenários centralizados: a potência do ventilador mais reduzido dos dois tipos de sistemas. Em suma este cenário reúne o melhor das duas soluções: reduzido horário de funcionamento para reduzida potência dos ventiladores.  O cenário MI apesar de ser o que funciona menos tempo face aos sistemas centralizados, peca pelo facto da potência do ventilador ser mais elevada que o concorrente sistema centralizado; 1,5 kWh/m2 é o consumo de eletricidade que se obtém neste cenário. Em suma a extração centralizada quando se considera o cenário MC5 é o que consegue obter consumos de eletricidade por parte dos ventiladores mais reduzidos. 3.6. Comparação entre vários cenários de extração Considerando uma taxa de infiltrações de 0,6 h-1, de seguida são comparados os vários cenários de extração juntamente com o respetivo equivalente em ventilação natural. Na Figura 40 são demonstrados os valores comparativos quer das necessidades de aquecimento quer da energia final já com consumo de eletricidade dos ventiladores. Figura 40 Comparação entre os vários cenários de extração com valor de referência natural para taxa de infiltração de 0,6 h-1  Entre cenários de extração pode-se verificar que à medida que se diminui a taxa de ventilação mecânica o valor de ventilação natural tem tendência a aumentar. Isto devese ao simples facto de nas horas em que a extração por meios mecânicos é zero então as infiltrações passam a ser responsáveis pela renovação do ar. 31,7 24,8 20,4 20,0 17,1 14,7 0 5 10 15 20 25 30 35 N3 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni [kWh/m2] Cenário 0,6 h-1 Ni Mecânica Ni Total Energia Final com consumo de ventiladores Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 66  O cenário MC1 demonstra ser o que mais energia utiliza, neste caso são necessários 31,7 kWh/m2. MC2 também não está longe da realidade de MC1 apresentando um desperdício de energia pois necessita de 24,8 kWh/m2 durante o seu funcionamento.  MC3 e MC4 apresentam valores de energia final aproximados, neste caso 20,4 kWh/m2 e 20 kWh/m2 respetivamente.  Para o cenário MC5 o valor de energia final que se obtém é de 17,1 kWh/m2. Apesar da adaptação do perfil de funcionamento do cenário independente não consegue obter consumo mais reduzido ainda assim é o cenário mais económico dos sistemas centralizados.  O cenário MI, de valor de energia final de 14,7 kWh/m2, é o que obtém o valor mais reduzido. Quando comparado com MC5, MI permite uma redução de 2,4 kWh/m2, isto demonstra que se MI consegue executar a mesma tarefa que MC5 com menos de metade do caudal, 300 m3/h então não se justifica estar a duplicar o caudal. Na Figura 41 está representada a energia final em função das renovações por hora. Figura 41 Energia final em função de rph para taxa de infiltração de 0,6 h-1 Apesar de se encontrarem representadas as taxas de renovação horárias, a sua explicação e ilações são retiradas no capítulo que se segue. No entanto é interessante verificar a discrepância entre cada um dos cenários: MC1 claramente é o cenário que mais despende de energia com MC2 e MC3 logo de seguida. MI claramente é o cenário que menos energia final necessita. MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Energia Final [kWh/m2] Rph Necessidades de aquecimento só natural Necessidades de aquecimento Mecânica Energia Final Total com consumo ventiladores Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 67 3.7. Comparação entre taxas de renovação Um dos fatores a ter em conta no desenvolvimento desta tese é a taxa de renovação de ar total para que seja garantida uma boa QAI. Este valor resulta do somatório da fração natural com a fração mecânica que se consegue obter para os vários cenários de extração. Para que se torne fácil a compreensão dos dados obtidos consideram-se três intervalos de valores: 1º Intervalo: Renovações totais inferiores a 0,6 h-1. Se se obtiver um valor de taxa de renovação total inferior a 0,6 h-1 trata-se de uma situação de renovação ideal e de aproveitamento de energia. 2º Intervalo: Renovações totais entre 0,6 h-1 inclusive a 1 h-1. Valor de renovação considerável. Permite obter renovações de ar aceitáveis sem que acha uma excessiva introdução de ar novo e grandes necessidades de aquecimento. Não é adequado mas aceitável a nível económico. 3º Intervalo: Renovações totais maiores ou iguais a 1 h-1. Valor bastante elevado face ao mínimo exigível. Valores que representam desperdício de energia. Depois de se determinarem todos os valores para todos os cenários e extração e para todas as taxas de infiltração consideradas a Tabela 25 permite analisar todos os valores em conjunto. Tabela 25 Taxa de renovação de ar dos vários cenários de extração para cada uma das taxas de infiltração consideradas Cenário 0,2h-1 0,4h-1 0,6h-1 1,0h-1 MC1 1,4 1,4 1,4 1,4 MC2 1,1 1,2 1,2 1,3 MC3 0,9 1,0 1,1 1,3 MC4 0,7 0,8 1,0 1,2 MC5 0,6 0,8 1,0 1,3 MI 0,4 0,6 0,7 1,1 Pela sua análise verifica-se que:  A nível geral, e desconsiderando o cenário MC1, o aumento da taxa de infiltração resulta num aumento da taxa de renovação de ar. Maior infiltração de ar resulta num maior caudal de ar novo a ser introduzido na fração e por isso o extrator extrairá mais caudal.  O cenário MC1 apresenta um valor fixo de 1,4 h-1 para as diversas taxas de infiltração resultado de se considerar extração durante 24h por dia. Uma vez que este valor é superior a 1,0 h-1, definido anteriormente como 3º intervalo, este cenário pode ser Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 74 Tabela 29 Tabela comparativa dos vários valores obtidos para os cenários de extração e quando comparados com taxa de infiltração de 1,0 h-1 Cenário Taxa de Renovação Horária [h-1] Ni Natural [kWh/m2] Ni Mecânica (kWh/m2] Ni Total [kWh/m2] Ni em Energia Final [kWh/m2] Energia Final c/ ventiladores [kWh/m2] N1 0,2 3,4 0 3,4 3,4 3,4 N2 0,4 6,8 0 6,8 6,8 6,8 N3 0,6 10,1 0 10,1 10,1 10,1 N4 1 16,9 0 16,9 16,9 16,9 MC1 1,4 0 24,4 24,4 28 31,7 MC2 1,3 6,2 15,5 21,6 24,9 27,6 MC3 1,3 10,1 9,8 19,9 22,9 25 MC4 1,2 9,9 10,2 20 23 24,5 MC5 1,3 14,4 6 20,4 23,4 24 MI 1,1 14,4 3,2 17,6 20,2 21,7  Este cenário permite verificar que independentemente do cenário de extração todos os valores para as taxas de renovação de ar estão além do que se define como vantajoso e económico. Ainda assim MI é o que consegue obter melhores resultados: energia final de 21,7 kWh/m2 e 1,1 h-1 para taxa de renovação de ar que é um valor além daquilo que se considera como aceitável.  Os valores de energia final são os maiores entre todos os valores até então discutidos uma vez que numa situação de uma fração autónoma real trata-se de uma construção com baixa estanquicidade e por isso este cenário vê os seus valores de Ni afetados. As Figuras 46 e 47 permitem esta constatação. Figura 46 Comparação entre os vários cenários de extração com valor de referência natural para taxa de infiltração de 1,0 h-1 31,7 27,7 25,0 24,5 24,0 21,7 0 5 10 15 20 25 30 35 N4 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni [kWh/m2] Cenário 1,0 h-1 Ni Mecânica Ni Total Energia Final com consumo de ventiladores Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 75 Figura 47 Energia final em função de rph para taxa de infiltração de 1,0 h-1 3.9. Custos energéticos associados às necessidades de aquecimento e ventiladores Depois de se determinar o valor das necessidades de aquecimento e respetivos valores de consumo de eletricidade dos ventiladores pode-se determinar o custo associado quer do acionamento dos ventiladores quer do custo associado a vetores de energia final usados para aquecimento ambiente. Os valores presentes na Tabela 30 consideram uma área útil de pavimento de 100 m2 e pé direito de 2,6 m, como se utiliza em outros cálculos e representam o consumo de eletricidade dos ventiladores utilizados. Tabela 30 Custos associados ao consumo dos ventiladores Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Sistema de extração C C C C C I Horas de extração (Coz/WC) 8760 6570 5110 3650 1460/ 1606 1460/ 1606 Potência Cozinha [W] 37,5 37,5 37,5 37,5 37,5 85 Consumo Cozinha [kWh/m2] 3,3 2,5 1,9 1,4 0,5 1,2 Potência WC [W] 5 5 5 5 5 15 Consumo WC [kWh/m2] 0,4 0,3 0,3 0,2 0,1 0,2 Consumo total [kWh/m2] 3,7 2,8 2,2 1,6 0,6 1,5 Custo elétrico ventiladores [100 m2] 50,82 38,11 29,64 21,17 8,57 20,23 €/kWh 0,1365 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Energia Final [kWh/m2] Rph Necessidades de aquecimento só natural Necessidades de aquecimento Mecânica Energia Final Total com consumo ventiladores Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 76 Verifica-se que:  MC1 funciona no período máximo que se pode considerar, ou seja 24 horas por dia 365 dias por ano e por isso o seu custo energético é o mais elevado e de 50,82€.  De MC2 até MC4, com a redução horária no funcionamento do sistema centralizado, o custo diminui de 38,11 €/ano em MC2 para 29,64 €/ano em MC3 e 21,17 €/ano ainda assim são valores elevados.  MC5 é o cenário que apresenta o menor gasto possível de apenas 8,57 €/ano, resultado da reduzida potência do ventilador e reduzido horário de extração.  MI devido à elevada potência do ventilador resulta num gasto de 20,23 €/ano, apesar de ser o cenário que os extratores funcionam durante menos tempo a potência das máquinas é substancialmente superior (2,3 vezes). Para os custos associados às necessidades de aquecimento para a taxa de infiltração de 0,2 h-1 os valores estão representados na Tabela 31. Tabela 31 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,2 h-1 Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Rph 0,2 Ni [kWh/m2] 24,1 15,3 9,7 10,1 5,9 2,7 Ni [kWh] para A=100m2 2410 1530 970 1010 590 270 Custo € para 0,0595 €/kWh 143,40 91,04 57,72 60,10 35,11 16,07 Somando os valores da Tabela 31 com os valores dos consumos dos ventiladores presentes na Tabela 30 obtém-se os custos finais nesta situação presentes na Tabela 32. Tabela 32 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,2 h-1 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni €/ano 143,40 91,04 57,72 60,10 35,11 16,07 Ventiladores €/ano 50,82 38,11 29,64 21,17 8,57 20,23 Custo total €/ano 194,22 129,15 87,36 81,27 43,68 36,30 Verifica-se que MI é o mais económico resultando num valor de 36,30 €/ano. De seguida, e para 0,4 h-1 os valores estão representados nas Tabelas 33 e 34. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 77 Tabela 33 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,4 h-1 Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Rph 0,4 Ni [kWh/m2] 20,2 12,9 8,1 8,4 5,2 2,0 Ni [kWh] para A=100m2 2020 1290 810 840 520 200 Custo € para 0,0595 €/kWh 120,19 76,76 48,20 49,98 30,94 11,90 Tabela 34 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,4 h-1 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni €/ano 120,19 76,76 48,20 49,98 30,94 11,90 Ventiladores €/ano 50,82 38,11 29,64 21,17 8,57 20,23 Custo total €/ano 171,01 114,87 77,84 71,15 39,51 32,13 O cenário MI continua a ser o cenário cujo custo associado é mais reduzido; 32,13 €/ano. Para 0,6 h-1 os valores estão representados na Tabela 35 e 36. Tabela 35 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,6 h-1 Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Rph 0,6 Ni [kWh/m2] 16,4 10,4 6,6 6,8 4,8 1,6 Ni [kWh] para A=100m2 1640 1040 660 680 480 160 Custo € para 0,0595 €/kWh 97,58 61,88 39,27 40,46 28,56 9,52 Tabela 36 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 0,6 h-1 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni €/ano 97,58 61,88 39,27 40,46 28,56 9,52 Ventiladores €/ano 50,82 38,11 29,64 21,17 8,57 20,23 Custo total €/ano 148,40 99,99 68,91 61,63 37,13 29,75 Da mesma maneira como na situação anterior, MI continua a obter custos mais reduzidos, 29,75 €/ano. Para 1,0 h-1 os valores estão representados na Tabela 37 e 38. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 78 Tabela 37 Custos necessidades de aquecimento para os vários cenários de extração com taxa de infiltração de 1,0 h-1 Cenário MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Rph 1,0 Ni [kWh/m2] 8,6 5,5 3,5 3,6 4 0,8 Ni [kWh] para A=100m2 860 550 350 360 400 80 Custo € para 0,0595 €/kWh 51,17 32,73 20,83 21,42 23,80 4,76 Tabela 38 Custo Final dos vários cenários de extração com taxa de infiltração de 1,0 h-1 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MI Ni €/ano 51,17 32,73 20,83 21,42 23,80 4,76 Ventiladores €/ano 50,82 38,11 29,64 21,17 8,57 20,23 Custo total €/ano 101,99 70,84 50,47 42,59 32,37 24,99 Nova taxa de infiltração, a mesma resposta. MI é o cenário mais vantajoso em termos económicos com um custo total de 24,99 €/ano. Numa análise geral dos valores obtidos:  Os cenários MC1, MC2, MC3 e MC4 são desperdiçadores de energia e necessitam de ajustes.  MC5 apesar de mais económico que os restantes ainda assim não é o cenário mais económico.  MI apesar da sua potência de extração ser mais elevada quando comparada com os cenários centralizados, ainda assim consegue obter os melhores custos. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 79 4. Conclusões e perspetivas de trabalho futuro Depois de efetuados todos os procedimentos e analisados os resultados podem ser tecidas as seguintes conclusões. A qualidade construtiva de uma dada fração autónoma demostrou ser um fator crucial a ter em conta no caso da ventilação. Quanto maior é a estanquicidade de uma fração autónoma menor é caudal de ar novo por infiltrações e por isso menos massa de ar é necessária ser aquecida resultando em valores de necessidades de aquecimento mais baixas. Com vista a reduzir a fatura energética a procura de soluções construtivas capazes de maximizar o potencial da ventilação natural, e para tal deixar os sistemas mecânicos para eventuais soluções de recurso, quando a natural não conseguir suprir de forma suficiente é uma das abordagens prioritárias a adotar. No que diz respeito ao impacto da introdução dos dois tipos de sistemas de extração em análise, centralizado e independente, de forma geral o sistema centralizado demonstrou que a correta definição do período de extração pode reduzir significativamente o valor final das necessidades de aquecimento. Analisando os diversos sistemas de extração centralizados, MC1 demonstrou ser um cenário desperdiçador de energia e com taxas de renovação de ar exageradas. Este cenário apresenta valores de energia final que não dependem da estanquicidade da fração autónoma, resultado de extração continua 24 horas por dia. Com os piores resultados de todos os cenários em estudo, conclui-se que este cenário ocupa a “lideran a” de cenário n o aconselhável. A introdução de MC2 permitiu ainda assim economizar face a MC1. No que diz respeito aos valores de energia final estes são agora mais reduzidos e função da taxa de infiltração da fração autónoma, o impacto deste cenário é menor. No entanto ainda assim não é a situação mais vantajosa de todos os cenários estudados uma vez que obtém sempre taxas de renovação de ar elevadas e não aceitáveis superiores a 1,0 h-1 e por isso é considerado cenário disperdiçador de energia. O cenário MC3 apresenta melhorias a nível económico face aos antecessores. É o primeiro cenário que consegue obter uma taxa de renovação de ar aceitável de 0,9 h-1 quando se considera uma fração autónoma com estanquicidade de 0,2 h-1. Ainda assim este cenário está longe do que se pretendeu obter como cenário económico. A introdução do cenário MC4 veio demonstrar que a correta escolha o período de ventilação é muitas vezes sinónimo de poupança ou maior gasto. O simples adiamento da extração em uma Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 80 hora resulta num aumento do valor total de Ni de MC4 quando comparado com MC3. A vantagem deste sistema é que ao ontrário de MC3 em que apenas se conseguia obter taxas de renovação de ar aceitáveis para infiltração de 0,2 h-1, agora este cenário obtém taxas de renovação aceitáveis e por isso valores mais económicos quer quando se considera taxa de infiltração de 0,2 h-1 quer para 0,4 h-1, obtendo taxas de renovação de ar de 0,7 h-1 e 0,8 h-1 respetivamente, Tabela 25. O cenário MC5, que utiliza o perfil de funcionamento idêntico ao cenário independente MI, consegue obter os valores mais aceitáveis quer de energia final quer de renovação de ar mas ainda assim é destronado pelo cenário MI. Das taxas de renovação de ar obtidas, para taxas de infiltração de ar de 0,2 h-1 e 0,4 h-1 as taxas de renovação de ar são aceitáveis como definido pelo 2º patamar no subcapítulo 3.7, e de 0,6 h-1 e 0,8 h-1 respetivamente. Para as taxas de infiltração de 0,6 h-1 e 1,0 h-1 a renovação de ar transpõe o limite que se considera para renovação aceitável de 1,0 h-1 e 1,3 h-1, Tabela 25. No consumo de eletricidade dos ventiladores considerados para MC5 é o que consegue obter o valor mais reduzido, 0,6 kWh/m2, Tabela 24. O cenário independente é aquele que consegue obter melhores resultados entre todos os cenários. Para os valores de energia final (Tabelas 26 a 29) consegue obter os valores mais baixos entre todos os cenários: para taxa de infiltração de 0,2 h-1 obtém 8 kWh/m2, para taxa de infiltração de 0,4 h-1 o valor de energia final é de 11,3 kWh/m2; para 0,6 h-1 mantém-se a tendência e energia final com 14,7 kWh/m2 e por último para taxa de infiltração de 1,0 h-1 energia final de 21,7 kWh/m2. Este cenário também obtém taxas de renovação de ar mais reduzidas entre os seis cenários estudados (Tabela 25): 0,4 h-1 quando se considera uma fração autónoma com estanquicidade de 0,2 h-1, este valor é o adequado e mais económico entre todos os cenários e situações; taxa de renovação de ar de 0,6 h-1 quando se considera taxa de infiltrações de 0,4 h-1 e taxa de renovação de ar de 0,7 h-1 para taxa de infiltração de 0,6 h-1. O único valor de taxa de renovação de ar que transcende o limite estabelecido é para o caso de infiltração de 1,0 h-1 em que se obtém uma taxa de renovação de ar total de 1,1 h-1. No entanto ainda assim é o valor mais reduzido entre todos os cenários em estudo. Adicionalmente consegue garantir esta performance e garantir melhor qualidade do ar interior para uma menor estanquicidade. Em suma conclui-se que o cenário independente de extração é o que menor impacto causa de todos os cenários em todas as situações. A nível económico, no que diz respeito aos custos associados ao consumo dos ventiladores, MC5 é o mais económico com um 8,57 €/ano, Tabela 30, resultado de uma potência dos Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 81 ventiladores centralizados mais reduzida que no caso de extração independente e reduzido perfil de funcionamento dos extratores. Os custos totais em energia final quando já se considera os valores associados às necessidades de aquecimento, (Tabelas 32, 34, 36 e 38), são mais reduzidos no caso do cenário MI para todas as situações: para taxa de infiltração de 0,2 h-1 é de 36,30 €/ano; 32,13 €/ano para taxa de infiltração de 0,4 h-1; 29,75 €/ano em infiltração de 0,6 h-1 e 24,99 €/ano para taxa de infiltração de 1,0 h-1. Este cenário apresenta custos associados às necessidades de aquecimento mais reduzidos que os restantes, no entanto e apesar do custo de eletricidade dos ventiladores não ser o mais reduzido, ainda assim é o que obtém custos totais mais baixos. No final conclui-se que o sistema independente é o cenário que consegue obter menor impacto entre todos os cenários e menores custos, logo é o cenário mais económico. No entanto, e depois de finalizado este trabalho é possível compreender que ainda é possível aprofundar muito mais esta questão. Os sistemas centralizados compensam pelo facto da sua potência poder ser repartida por várias frações autónomas, no entanto a correta escolha do horário de extração pode tornar esta situação bastante vantajosa. Os cenários MC1, MC2, MC3 e MC4 comprovaram isso mesmo, apesar da potência do sistema centralizado ser menor que o sistema independente, o grande período de extração torna estes cenários desadequados e desperdiçadores de energia. O caso do cenário MC5 é exemplo disso mesmo, conseguiu obter custos de eletricidade dos ventiladores mais reduzidos face ao sistema independente. No entanto e se fosse considerado outro valor de caudal que não o de 698 m3/h possivelmente este cenário ainda obtinha custos mais reduzidos. Outra situação do cenário centralizado é a extração que se considera para a cozinha, a título de exemplo e numa análise mais detalhada ao cenário MC3 o extrator da cozinha neste cenário está operacional das 8h da manhã até as 22h da noite, 14 horas seguidas de extração e com caudal de 300 m3/h. Os sistemas centralizados de extração são caracterizados por possuírem uma válvula de controlo, neste cenário, assim como em MC1, MC2 e MC4, durante este período esta válvula é considerada aberta a 100%. Ora certamente é de esperar que o consumo aumente por este motivo, além de que é muito pouco provável que uma fração autónoma considere extração desta ordem de grandeza durante período tão alargado de tempo. Uma possível solução para poder tornar o consumo final deste e de outros cenários centralizados mais reduzido, tornando-os mais atrativos, poderia passar pela adequação do caudal extraído nos períodos onde não é necessária extração nesta ordem de grandeza. Nos períodos em que estes sistemas não são operados a válvula de controlo não se encontra fechada a 100%. Uma vez que como o Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 82 operador não tem controlo sobre o funcionamento do ventilador posicionado na cobertura, se a válvula fechasse a 100% a rede de condutas que interligam o ventilador ao extrator na fração autónoma ficaria sob depressão. Como tal considera-se uma pequena abertura da válvula que não possibilita o total fecho do sistema de extração e ainda assim se consegue extrair um certo caudal mesmo quando não estão a ser preparadas refeições nesta divisão. A determinação da percentagem de abertura desta válvula permitiria depois ser adequada às restantes horas, a título de exemplo, se a fricha tomar o valor de 10% nos períodos fora de almoço e jantar em vez de se considerar extração a 100%, se se considerar extração a 10% (das 8h às 11h, das 14h às 19h e das 22h as 23h) certamente os custos finais seriam muito mais reduzidos devido à redução do valor associado às necessidades de aquecimento. Este estudo apenas considera uma fração autónoma com uma cozinha e uma casa de banho, na entanto há situações de frações autónomas que possuem mais do que uma casa de banho, seria interessante verificar o que acontece com a consideração de mais do que uma casa de banho. Além disso considerar outras áreas e pés direitos para outras frações autónomas também seria interessante de estudar. Uma vez que se trata de extração em edifícios multifamiliares adaptar este procedimento a extração num edifício multifamiliar com diversas frações autónomas, com diversas características e tipologias. Resumidamente o cenário de extração independente, MI, é o que consegue garantir uma melhor performance e consegue garantir uma qualidade de ar interior adequada garantindo economia energética. Os cenários de extração centralizados apesar de apresentarem custos mais reduzidos a nível de instalação a longo prazo resultam em consumos de eletricidade elevados face a extração independente uma vez que operam durante mais horas. Do ponto de vista económica seria interessante efetuar uma análise de investimento para determinar os custos de uma instalação centralizada e uma instalação idêntica mas utilizando sistemas independentes de extração para um mesmo edifício multifamiliar. Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 83 5. 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Acedido em 12 de julho de 2012, em http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data3.cfm/region=6_europe_ wmo_region_6/country=PRT/cname=Portugal Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 90 ANEXO B (Continuação): Ventilador extração centralizada casa de banho Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 91 ANEXO B (Continuação): Ventilador extração centralizada casa de banho Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 92 ANEXO B (Continuação): Ventilador extração centralizada casa de banho Figura 48 Bocal de extração no sistema de extração centralizada Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 93 ANEXO C: Ventiladores extração Independente Cozinha  Exustor Air 101 APELSON  Potência: 125 Watt com duas lâmpadas de 20 W cada  Caudal de extração: 320 m3/h Casa de banho  Extrator EJ 8 JUNEX  Potência: 15 Watt  Caudal de extração: 70 m3/h Figura 49 Extrator de cozinha Figura 50 Extrator de casa de banho Ventilação em Blocos Habitacionais: Qualidade do ar e economia energética 94