Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão

AVALIAÇÃO DA REABILITAÇÃO TÉRMICA DE COBERTURAS COM DESVÃO BEATRIZ RIBEIRINHO SAMAGAIO Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES Orientadora: Professora Doutora Maria Helena Póvoas Corvacho JUNHO DE 2014 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2013/2014 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  m[email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2013/2014 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2014. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão Aos meus Pais Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão i AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à Professora Helena Corvacho, por ter prontamente aceite orientar este trabalho, bem como pelo tema que me propos, que se revelou tão interessante e desafiante. Gostava também de agradecer a constante disponibilidade, incentivos e o apoio que demonstrou ao longo deste semestre. Em segundo lugar, gostaria de agradecer ao Engenheiro Pedro Pereira, que se mostrou sempre pronto para a programação dos sensores que recolheram os valores in situ. Esta tese não teria, de forma alguma, sido possível sem a educação e permanente apoio da minha família. Em especial, agradeço ao meu Pai, por desde cedo, me ter transmitido a paixão pela Engenharia, assim como o valor do rigor, a que está associada. À minha Mãe, agradeço o seu espírito positivo, que possibilitou com que todos os problemas, colocados ao longo deste trabalho, fossem ultrapassados. Gostaria também de agradecer à minha irmã pela grande amizade, assim como pela preciosa ajuda na formatação deste texto. Agradeço ainda aos meus avós, em especial ao meu avô Estêvão, pelo apoio no meu percurso escolar e académico, bem como pela construção da casa que inspirou este trabalho. Finalmente, gostaria de agradecer ao Luís por todos os incentivos e pelo interesse nesta dissertação, sem os quais, o resultado final não teria sido o mesmo. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão ii Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão iii RESUMO A reabilitação térmica de coberturas com desvão foi o objecto de estudo do presente trabalho, simulando-se uma moradia unifamiliar, localizada no Porto, com o programa DesignBuilder. A validação do modelo consistiu em comparar valores teóricos, fornecidos pelo programa, com valores recolhidos in situ. Com base no modelo, foi estudada a influência do isolamento térmico, dos envidraçados e de outras técnicas de controlo da radiação solar na cobertura, no que diz respeito ao conforto e à poupança energética ao longo de todo o ano. As características construtivas do edifício foram retiradas do projecto original do edifício e no que diz respeito à ventilação, foi considerado o caudal de ventilação regulamentar ao longo de todo o dia nos compartimentos ocupados. Na estação de aquecimento foi considerado um caudal acrescido de manhã, por questões relacionadas com a qualidade do ar, e na estação de arrefecimento o caudal de ventilação foi superior durante a noite, por questões de conforto. Para o estudo das condições de conforto, o edifício não era aquecido nem arrefecido mecanicamente. Do estudo paramétrico foi concluido que, para as soluções estudadas, na estação de arrefecimento, a temperatura do ar interior desce significativamente no desvão, havendo igualmente nos pisos subjacentes uma descida da temperatura do ar interior perceptivel. Na estação de aquecimento, no desvão de cobertura a temperatura do ar interior variou de forma pouco significativa, enquanto que no piso subjacente se manteve sensivelmente constante. Para o estudo relativo à poupança energética, foi pretendido que na estação de aquecimento, a temperatura do ar interior dos compartimentos ocupados não fosse inferior a 20 ºC e que na estação de arrefecimento este valor fosse ser superior a 25 ºC (condições de conforto regulamentares). Foi concluido que, tanto na estação de arrefecimento como de aquecimento, seria conseguida uma poupança energética, sendo esta mais significativa na estação de arrefecimento. Na última fase do trabalho, foi estudada a viabilidade económica das intervenções, variando o tipo de isolamento utilizado. Consultando os preços praticados no mercado, foi concluido que existe uma grande variedade de preços, sendo o período de retorno das intervenções relativamente curto com alguns materiais. Com materiais mais caros, o investimento foi considerado inviável. PALAVRAS-CHAVE: Energia em edifícios, Modelação, Coberturas, Isolamento térmico, Reabilitação. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão x Fig. 2.18 - Isolamento sobre pendente (Mascarenhas, J., 2006b) ....................................................... 23 Fig. 2.19 - Isolamento abaixo da pendente (Mascarenhas, J., 2006b) ................................................. 24 Fig. 2.20 - Isolamento na laje horizontal (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) ...................................................................................................................... 25 Fig. 2.21 - Princípio de ventilação na face inferior do revestimento (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) .......................................................................... 28 Fig. 2.22 - Princípio de ventilação na face inferior do revestimento (Mascarenhas, J., 2006b) ........... 28 Fig. 3.1 - Interface do utilizador no DesignBuilder ................................................................................ 33 Fig. 3.2 - Balanço térmico numa zona genérica (Gonçalves, D.F.P., 2010) ......................................... 37 Fig. 3.3 – Dados de saída projecto da estação de aquecimento .......................................................... 38 Fig. 3.4 – Dados de saída projecto de Verão ........................................................................................ 39 Fig. 3.5 - Alçado Sul .............................................................................................................................. 40 Fig. 3.6 - Alçado Norte .......................................................................................................................... 40 Fig. 3.7 - Planta piso 2 .......................................................................................................................... 41 Fig. 3.8 - Desvão de cobertura do caso de estudo ............................................................................... 42 Fig. 3.9 - Clarabóia (interior e exterior) Este após a intervenção ......................................................... 42 Fig. 3.10 - Fachada Sul do modelo ....................................................................................................... 43 Fig. 3.11 - Fachada Norte do modelo ................................................................................................... 43 Fig. 3.12 - Modelo piso 2 ....................................................................................................................... 44 Fig. 3.13 - Modelo das clarabóias exteriores e interiores ..................................................................... 49 Fig. 3.14 - Localização dos sensores no piso 2 .................................................................................... 51 Fig. 3.15 - Localização do sensor do piso 1 .......................................................................................... 52 Fig. 3.16 - Sensor na cobertura............................................................................................................. 52 Fig. 3.17 - Sensor no quarto Sul ........................................................................................................... 53 Fig. 3.18 - Sensor no piso 1 .................................................................................................................. 53 Fig. 3.19 - Significado do zénite solar ( ........................................................................................... 54 Fig. 3.20 - Validação para a cobertura .................................................................................................. 57 Fig. 3.21 - Validação para o quarto a Sul .............................................................................................. 58 Fig. 3.22 - Validação para o piso 1........................................................................................................ 59 Fig. 3.23 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 63 Fig. 3.24 - Ganhos solares na cobertura para os cenários 1 e 2 (Estação de arrefecimento) ............. 63 Fig. 3.25 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ............................................................................................................................................................... 64 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xi Fig. 3.26 - Trocas de calor pelo tecto no quarto Sul para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ............................................................................................................................................................... 64 Fig. 3.27 - Trocas de calor pelo tecto no quarto Norte para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ............................................................................................................................................................... 65 Fig. 3.28 - Temperatura do ar interior no piso 1 para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ..... 65 Fig. 3.29 - Trocas de calor pelo tecto no piso 1 para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) ..... 66 Fig. 3.30 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 5-8 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 66 Fig. 3.31 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 13-16 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 67 Fig. 3.32 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 1, 4, 8, 12 e 16 (Estação de arrefecimento) ................................................................................................................... 68 Fig. 3.33 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os cenários 1 e 16 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 69 Fig. 3.34 - Trocas de calor entre a laje de tecto do quarto a Sul e o desvão de cobertura para os cenários 1 e 16 (Estação de arrefecimento) ......................................................................................... 69 Fig. 3.35 - Temperatura do ar interior no piso 1 para os cenários 1 e 16 (Estação de arrefecimento) 70 Fig. 3.36 - Energia para arrefecimento para os cenários 1, 4, 8, 12, 16 e 17 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 71 Fig. 3.37 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 1, 4, 8, 12 e 16 (Estação de aquecimento) .................................................................................................................... 72 Fig. 3.38 - Ganhos solares no desvão de cobertura para os casos 1 e 4 (Estação de aquecimento) . 72 Fig. 3.39 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os casos 1, 4, 8, 12 e 16 (Estação de aquecimento) ......................................................................................................................................... 73 Fig. 3.40 - Trocas de calor entre o quarto a Sul e o desvão de cobertura para os casos 1, 4, 8, 12 e 16 (Estação de aquecimento) .................................................................................................................... 73 Fig. 3.41 - Temperatura do ar interior no desvão e no quarto Sul para os cenários 1 e 16 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 74 Fig. 3.42 - Temperatura do ar interior no desvão e no quarto Sul para os cenários 1 e 8 (Estação de aquecimento) ......................................................................................................................................... 74 Fig. 3.43 - Energia necessária para aquecimento para os cenários 1, 4, 8, 12, 16 (Estação de aquecimento) ......................................................................................................................................... 75 Fig. 3.44 - Trocas de calor no quarto Sul para o cenário 1 (Estação de arrefecimento) ...................... 76 Fig. 3.45 - Trocas de calor no quarto Sul com varanda para o cenário 1 (Estação de arrefecimento) 77 Fig. 3.46 - Perfis de temperatura de uma parede pesada ao longo de um dia (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) ..................................................................................................................................................... 78 Fig. 3.47 - Efeito da inércia térmica na temperatura do ar interior (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) ..... 78 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xii Fig. 3.48 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 79 Fig. 3.49 - Temperatura do ar interior no piso 1 para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) 80 Fig. 3.50 - Temperatura do ar interior no quarto Sul com varanda para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) ....................................................................................................................................... 80 Fig. 3.51 - Ganhos solares para o quarto Sul para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) .... 81 Fig. 3.52 - Ganhos solares para o piso 1 para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) .......... 81 Fig. 4.1 - Preço do gás em Portugal de 2003 a 2013 (Eurostat, 2014b) .............................................. 84 Fig. 4.2 - Preço da electricidade em Portugal de 2003-2013 (Eurostat, 2014a) ................................... 84 Fig. 4.3 - Cálculo do período de retorno ............................................................................................... 86 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xiii ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 - Exigências das coberturas (adaptado de (Rocha, J.M.F.d.S., 2008) , (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) e (Lameiras, J., 2010)) ............ 8 Tabela 2.2 - Soluções de reabilitação térmica de coberturas inclinadas quanto à localização do isolante (Paiva, J.A.V.d. and LNEC, 2000) ........................................................................................... 20 Tabela 2.3 - Comparação de isolantes térmicos aplicáveis a coberturas inclinadas (adaptado de (Santos, C.A.P.d. and Rodrigues, R., 2012)) ........................................................................................ 26 Tabela 2.4 - Níveis mínimos ISOLE para isolantes a aplicar em coberturas inclinadas (Freitas, V.P.d. and Pinto, M., 1997) .............................................................................................................................. 27 Tabela 3.1 - Condutibilidade térmica dos materiais de construção ...................................................... 46 Tabela 3.2 - Propriedades dos elementos construtivos ........................................................................ 46 Tabela 3.3 - Propriedades dos envidraçados ....................................................................................... 47 Tabela 3.4 - Valores de n ...................................................................................................................... 55 Tabela 3.5 - Parâmetros considerados para a validação do modelo.................................................... 56 Tabela 3.6 - Condições de ventilação da para a validação do modelo ................................................ 56 Tabela 3.7 - Soluções de reabilitação energética estudados .............................................................. 60 Tabela 3.8 - Condições de ventilação para o estudo paramétrico........................................................ 61 Tabela 3.9 - Consumo energético para arrefecimento do ar interior (kW h) ........................................ 71 Tabela 3.10 - Consumo energético para aquecimento do ar interior (kW h) ........................................ 75 Tabela 4.1 - Propriedades térmicas e preço dos materiais estudados ................................................. 85 Tabela 4.2 - Condições de simulação ................................................................................................... 86 Tabela 4.3 – Necessidades de aquecimento (Estação de aquecimento) ............................................. 87 Tabela 4.4 - Período de retorno isolando as vertentes e utilizando gás ............................................... 87 Tabela 4.5 - Período de retorno isolando as vertentes e utilizando electricidade ................................ 87 Tabela 4.6 - Período de retorno isolando a laje e utilizando electricidade ........................................... 88 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xiv Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xv SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS ʎ-Condutibilidade térmica [W m-1 ºC] ρ-Massa volúmica aparente seca [kg m-3] e-Espessura [m] E-Energia [kW h] g-Factor solar [-] R-Resistência térmica [m2 ºC W-1] T-Temperatura [º C] Tcalc-Temperatura calculada [º C] Text-Temperatura exterior [º C] Tmedido-Temperatura medida [º C] U-Coeficiente de transmissão térmica [W m-2 ºC] Uwdn-Coeficiente de transmissão térmica médio dia-noite [W m-2 ºC] AVAC-Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado DOE-Department Of Energy EPS-Poliestireno expandido moldado FEUP-Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto ICB-Aglomerado de Cortiça expandida INE-Instituto Nacional de Estatística ITE-Informação Técnica de Edifícios LFC-Laboratório de Física das Construções LNEC-Laboratório Nacional de Engenharia Civil LWA-Argila Expandida (em grânulos) MW-Lã Mineral PUR-Poliuretano PVC-Policloreto de Polivinila RCCTE-Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios REH-Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação VA-Vermiculite Expandida (em grânulos) XPS-Poliestireno expandido extrudido Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão xvi Calc-Cálculo Cob-Cobertura Com-Comercial Fig.-Figura GS-Ganhos Solares QS-Quarto Sul Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO No início de 2014 a antiga regulamentação térmica, Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), correspondente ao Decreto-Lei nº 80 de 2006 foi substituido pelo Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH), Decreto-Lei nº 118 de 2013. Esta nova regulamentação (XIX Governo Constitucional de Portugal, 2013), que tem por base directivas comunitárias, pretende ser mais exigente e rigorosa do que a anterior, do ponto de vista energético, fazendo com que o conforto dos ocupantes dos edifícios aumente e os gastos em energia baixem simultaneamente. Esta abordagem justifica-se num período em que a sustentabilidade é uma das palavras de ordem no mundo da construção (e não só). A importância da sustentabilidade na construção está relacionada com o grande peso que os edifícios têm no consumo global de energia, mas também com o facto de as tecnologias construtivas se desenvolverem cada vez mais, permitindo soluções mais eficientes. De acordo com (Freitas, V.P.d., 2012) em 2004, “em Portugal os sectores doméstico e de serviços correspondem a 29% do consumo final de energia e a 60% do consumo nacional de electricidade. Para além disso, verificou-se entre 1990 e 2004, naqueles dois sectores, uma taxa de crescimento médio anual do consumo final de energia de 1,9% e 8,6%, respectivamente.”. De acordo com o mesmo autor, no Porto em 2008 os edifícios foram responsáveis por 60% da energia primária utilizada na cidade. Paralelamente ao aumento das exigências construtivas, assiste-se na Europa e, em particular, em Portugal a uma grande crise no sector da construção, tendo vindo a baixar radicalmente não só o número de profissionais na área, mas também o número de obras e o capital investido. O sector da reabilitação tem tido um comportamento particular, tendo a actividade neste ramo crescido em termos relativos nos últimos anos (v. Fig. 1.3). O desenvolvimento da reabilitação justifica-se pelo grande número de edifícios com necessidade de reparação, pelo respectivo valor patrimonial e pelo custo/benefício, pois em alguns casos a reabilitação é uma solução mais económica do que a construção nova. A Fig. 1.1 mostra que mais de metade dos edifícios em Portugal têm menos de 40 anos, reconhecendo-se que na década de ’70, houve um grande crescimento do sector da construção, relacionado com as oportunidades decorrentes da revolução de 1974. A construção em Portugal viveu um período bastante próspero, devido também à entrada de Portugal na União Europeia, até ao início da crise económica na década de 2000. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 2 Fig. 1.1 - Número de edifícios clássicos segundo a época de construção do edifício no ano de 2011 (INE and LNEC, 2013) Na Fig. 1.2 encontra-se representado o estado de conservação dos edifícios em Portugal em 2001 e em 2011. Efectuando a comparação, reconhece-se a grande actividade do sector da reabilitação, já que, entre 2001 e 2011, o número de edifícios com necessidade de grandes reparações desceu cerca de 35%. O número de edifícios com necessidades de pequenas, médias e grandes reparações decresceu, assim como o número de edifícios muito degradados. Apesar desta grande redução, continua a haver um grande número de edifícios a necessitarem de intervenção, justificando-se a aposta nesta área. Por outro lado, as contruções têm períodos de vida limitados, o que fará com que haja sempre necessidade de as reparar. Apesar de o peso da construção nova ser ainda muito superior ao da reabilitação, pela análise da Fig. 1.3 entende-se que na última década a construção nova tem vindo a perder terreno para a reabilitação. De acordo com (INE, 2013), em 2011, “os edifícios exclusivamente residenciais estavam melhor conservados que as restantes tipologias de ocupação”, o que revela a grande aposta na requalificação nos edifícios de habitação. Fig. 1.2 - Número de edifícios clássicos segundo o estado de conservação, 2001-2011 (INE and LNEC, 2013) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 3 Fig. 1.3 - Número de fogos concluídos em obras de construção nova e reabilitação, 1991-2011 (INE and LNEC, 2013) Para que a reabilitação seja realizada com sucesso, é necessária uma grande especialização dos técnicos, bem como um estudo aprofundado das tecnologias construtivas antigas, de modo a adaptá-las às exigências presentes. Será necessário que os técnicos tenham um grande conhecimento no que diz respeito à construção com alvenaria de pedra, como se fazia no passado e ao tipo de revestimentos utilizados, entre outros. As coberturas são outro elemento passível de intervenção e de acordo com (Anselmo, I. [et al.], 2004) “em termos de hierarquização das medidas de eficiência energética do ponto de vista da análise custo-benefício, as mais favoráveis são as que incidem nas coberturas”. Em 2011, em Portugal, a quase totalidade das coberturas era inclinada e revestida a telhas cerâmicas ou de betão. A Fig. 1.4 mostra de forma evidente que, entre 2001 e 2011, esta foi a tecnologia construtiva, no que respeita a coberturas, com o maior crescimento. Fig. 1.4 - Número de edifícios clássicos segundo o tipo de cobertura, 2001-2011 (INE and LNEC, 2013) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 10 de chapas em deterimento de telhas cerâmicas alterou a ordem de grandeza das cargas aplicadas, repercutindo-se esse facto sobre a estrutura. Nos dias de hoje, os sistemas de asnas de madeira lamelada têm constituido um grande incentivo para a utilização de peças de madeira de pequena secção (Mascarenhas, J., 2006a). Dado que a cobertura é o elemento do edifício com a cota mais elevada do conjunto, é aqui que a acção do vento terá um impacto mais significativo, justificando-se o estudo aprofundado da estrutura, conjugando o aspecto das forças aplicadas com a drenagem de águas pluviais. A Fig. 2.1 apresenta de forma esquemática a constituição de uma cobertura inclinada, em que a estrutura é de madeira. Nestes casos, a estrutura principal é composta por todos os elementos que suportam o conjunto, compreendendo os elementos de 1 a 8 da Fig. 2.1. A estrutura principal é composta pela asna e pelo travamento. A asna compreende a perna (1), a linha (2), a escora (3) e o pendural (4). O travamento engloba elementos como o frechal (5), a madre (6), a fileira (7) e a diagonal (8). Os números anteriormente referidos em parêntesis correspondem aos indicados na Fig. 2.1. Através da configuração apresentada na Fig. 2.1 entende-se como a transmissão de esforços se processa. A estrutura secundária, incluindo a vara (9), o guarda-pó (10) e as ripas (11) descarrega na estrutura principal. Por sua vez, o revestimento (composto pelas telhas e chapas) será suportado pela estrutura secundária. O forro (10) diz respeito a elementos como o isolamento acústico e térmico, protecções contra infiltrações ou condensações, acabamentos ou o travamento. Fig. 2.1 - Constituição de uma cobertura inclinada com estrutura em madeira (Mascarenhas, J., 2006a) A madeira é o material com maior tradição na construção portuguesa, tendo-se, contudo, verificado o gradual abandono deste tipo de material devido a diversos motivos (Mascarenhas, J., 2006a), nomeadamente:  Escassez de madeiras de elevada resistência mecânica;  Escassez de peças de madeira de grande secção das variedades mais utilizadas;  Declínio do projecto e construção de asnas tradicionais e  Secagem e tratamento nem sempre adequados. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 11 Com o evoluir da tecnologia e devido às razões apontadas anteriormente para o abandono da utilização da madeira, as coberturas em madeira mais recentes recorrem com grande frequência ao lamelado colado, que apresenta diversas vantagens (Mascarenhas, J., 2006a), nomeadamente:  Possibilidade de construir grandes peças com comprimento até 40 m;  Pequenas espessuras permitem grandes curvaturas, impossíveis em peças maciças;  Aproveitamento de madeira de menor qualidade;  As colas utilizadas contribuem para a resistência mecânica do conjunto;  Superação da escassez de madeiras de elevada resistência mecânica;  Dispensa da utilização de peças de madeira de grande secção das variedades mais utilizadas;  Diminuição das cargas aplicadas (o lamelado é 5 vezes mais leve que o betão armado e 16 vezes mais leve que o aço);  Dispensa de acabamento;  Boa estabilidade ao fogo;  Não necessita de juntas de dilatação;  Ligações simples;  Utilização de materiais ecológicos;  Material não corrosivo; No que diz respeito às estruturas metálicas, geralmente pré-fabricadas, têm como principal vantagem um custo reduzido e a simplificação do processo construtivo. Assim como as estruturas em madeira, as estruturas metálicas podem assumir várias configurações, utilizando-se asnas simples, asnas duplas com cantoneiras (geminadas ou não) e barras, asnas com varões, treliças, perfis de grande secção e perfis reconstruídos. Na Fig. 2.2, é apresentado um exemplo deste tipo de estruturas. Fig. 2.2 - Pormenor de uma estrutura metálica de cobertura inclinada (treliça) (Mascarenhas, J., 2006a) As estruturas em betão armado para coberturas inclinadas, por sua vez, podem ser em asnas pré-moldadas, pilares e vigas, vigas apoiadas em muros de alvenaria e lajes. As vantagens deste tipo de tecnologia são a economia, a ridigez e, em alguns casos, a facilidade de execução. Em contrapartida, quando se recorre à pré-fabricação, o transporte das estruturas pode ser problemático. Na construção de estruturas para coberturas inclinadas também se pode recorrer ao pré-esforço ou a lajes aligeiradas (diminuição do peso próprio). Na Fig. 2.3, é apresentado um exemplo deste tipo de estruturas. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 12 Fig. 2.3 - Pormenor de uma estrutura em betão armado de uma cobertura inclinada (Mascarenhas, J., 2006a) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 13 2.3.2. REVESTIMENTO O leque de soluções a adoptar para o revestimento das coberturas inclinadas é também muito variado, tal como mostra a Fig. 2.4. Reconhece-se uma adequação dos materiais ao tempo em que são utilizados, tendo sido inicialmente o material dominante as telhas cerâmicas. Apesar de estas ainda serem muito utilizadas nos dias de hoje, tanto para reabilitação como para construção nova, a utilização de telhas de betão, ardósia ou chapas metálicas tem vindo a ganhar importância. Fig. 2.4 - Revestimentos de coberturas inclinadas A Fig. 2.4 permite reconhecer uma grande variedade de telhas cerâmicas disponíveis no mercado. As primeiras telhas eram planas, o que obrigava a grandes inclinações da própria cobertura, de modo a que o escoamento das águas pluviais fosse eficaz. Por outro lado, para evitar a infiltração das águas pluviais para o interior do edifício, era necessário uma grande sobreposição de telhas. Estes inconvenientes foram ultrapassados com o aparecimento das telhas de meia cana, dado que, ao serem alinhadas, se criava um canal, através do qual a água podia fluir. Estas telhas tinham o inconveniente de se deslocarem facilmente, ultrapassando-se este problema com o aparecimento de outro tipo de telhas, com um encaixe mais eficaz. As telhas cerâmicas, como revestimento de coberturas inclinadas, apresentam várias vantagens, nomeadamente a estética, o valor histórico e patrimonial da solução construtiva, o facto de a respectiva produção não ser especialmente poluente, e finalmente, a durabilidade. Contudo, a Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 14 montagem deste tipo de peças, dadas as suas dimensões reduzidas, é demorada, podendo, por vezes, o campo de aplicação ser algo reduzido. Sendo o revestimento parte integrante do conjunto, também as telhas cerâmicas devem respeitar as exigências das coberturas. As telhas não devem ser nem facilmente combustíveis, nem altamente higroscópicas, de modo a impossibilitar a retenção de água. Por outro lado, importa também a estabilidade geométrica, de modo a que o conjunto seja estanque. Finalmente as telhas estão sujeitas a algumas cargas e devem, por isso, apresentar uma resistência mecânica adequada. Os tipos de telhas indicados na Fig. 2.4 diferem em diversos aspectos, sendo o mais notório a geometria. Consequentemente, em média, para cada tipo de telha, o peso, dimensões e recobrimento varia. Nas Fig. 2.5, Fig. 2.6, Fig. 2.7, Fig. 2.8 e Fig. 2.9 apresentam-se imagens relativas a cada uma destas telhas. Fig. 2.5 - Telha Lusa (/Aba e Canudo) (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) Fig. 2.6 - Telha Marselha (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) Fig. 2.7 - Telha Canudo (/Meia cana) (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 15 Fig. 2.8 - Telha Romana (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) Fig. 2.9 - Telha Plana (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) As telhas aplicadas na construção devem respeitar os requisitos de normas europeias, de entre as quais se pode referir a EN 1304 (1998), a NP EN 538 (1997), a NP EN 539-1 (1998), a EN 539-2 (1998) e a EN 1024 (1997). A cada tipo de telha corresponderá determinado espaçamento do ripado, forma de assentamento, recobrimento, necessidade ou não de fixação, etc (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998). Os pontos singulares são igualmente importantes e requerem engenho e perícia da parte de quem projecta e executa. A forma de colocação das telhas varia em alguns detalhes com o tipo de telhas que se aplica, cujo procedimento se encontra devidamente definido nas normas. As especificações dos fornecedores são igualmente importantes. As telhas de aglomerado de cimento (de betão) são obtidas através da extrusão e compactação de argamassa de cimento. O acabamento pode ser granulado colorido na face superior ou liso com coloração incorporada. Este tipo de telhas deve-se encontrar sem defeitos quando aplicado (esfoliações, fissuras, uniformidade de cor). Quando partidas à superfície, a fractura deve ser compacta e uniforme. Estas telhas, quando comparadas com as telhas cerâmicas, possuem uma maior resistência mecânica e não são corroídas pela salinidade, não esfoliam pela acção do gelo/degelo em regiões interiores, resistindo igualmente a ambientes industriais poluídos. (Mascarenhas, J., 2006a) “A ardósia é uma rocha de grão fino e homogéneo, fácil de esfoliar em lâminas finas e planas de grande tenacidade” (Mascarenhas, J., 2006a). Ao contrário das telhas cerâmicas, não possuem qualquer encaixe, pois são planas. Consequentemente há uma necessidade de fixação das placas entre si através de pregos ou de ganchos. A forma como as telhas são sobrepostas pode também variar. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 16 As telhas betuminosas têm a particularidade de não oferecerem a durabilidade das telhas de ardósia. Apesar disso, apresentam diversas vantagens como o peso reduzido e a facilidade de colocação em obra. A facilidade de colocação está ligada à grande adaptação do material ao suporte, sendo possível aplicá-las em superfícies curvas e pontos singulares. É também importante referir que este tipo de telhas não necessita de subestrutura e que pode ter vários acabamentos. Na Fig. 2.10 apresenta-se a constituição das placas que compõem as telhas betuminosas. Fig. 2.10 - Constituição das telhas betuminosas (Mascarenhas, J., 2006a) As telhas em aço “consiste[m] em chapas de aço moldadas em forma de seis telhas possuindo encaixes nos bordos” (Mascarenhas, J., 2006a). Como vantagens principais desta solução refere-se a diversidade de cores possíveis para o acabamento e o menor peso, quando comparado com telhas cerâmicas. Por outro lado, apresentam uma maior durabilidade em ambientes mais agressivos e são mais resistentes à acção de sismos. Estas telhas são ainda fáceis de transportar e a sua colocação é rápida e simples. Na Fig. 2.11 apresenta-se a constituição de uma telha deste tipo. Fig. 2.11 - Constituição das telhas de aço (Mascarenhas, J., 2006a) A utilização das chapas de fibras iniciou-se nos anos 60 do século passado, tendo perdido terreno com o aparecimento das chapas metálicas, sendo hoje-em-dia, muito utilizadas como subtelhas, dado que permitem uma ventilação e estanquidade adequada para as coberturas. Este material é feito à base de cimento, resinas, fibras orgânicas e sintéticas e aditivos, incorporando algumas das chapas betume. A forma destas chapas é ondulada, de modo a que a resistência mecânica seja incrementada, a drenagem de águas pluviais seja mais eficaz, a estrutura do telhado seja simplificada, a ventilação do material de isolamento e revestimento seja eficaz e, finalmente, de modo a que o travamento da estrutura seja também conseguido (Mascarenhas, J., 2006a). Do que foi mencionado anteriormente retiram-se algumas vantagens decorrentes da utilização destas chapas (Mascarenhas, J., 2006a): Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 17  Economia;  Incombustíveis;  Boa resistênca mecânica;  Durabilidade;  Imputrecível;  Estanquidade do sistema;  Boa ventilação do sistema. Como já foi referido, as chapas metálicas têm vindo a ser utilizadas nos edifícios mais recentes e principalmente em edifícios industriais. O metal utilizado para o fabrico destas chapas é zinco ou cobre, podendo ser aplicadas por um método mais antigo, a camarinha, ou pelo sistema agrafado, mais recente. As chapas metálicas podem ser normalizadas (com perfil trapezoidal, ondulado ou prensadas em forma de telha) ou não normalizadas. As chapas metálicas têm como vantagem a grande estanquidade do sistema, a facilidade de execução e, dado o seu reduzido peso, a estrutura que o suporta não necessita de cuidados dispendiosos. Estas chapas podem ser aplicadas em zonas com pouca inclinação (incluindo zonas verticais) e em juntas de dilatação ou pontos singulares, que são de remate, por vezes, difícil. Pode-se ainda referir a grande durabilidade e a possibilidade de reciclagem do material. Como grande desvantagem das chapas refere-se a oxidação do metal. Sendo a sustentabilidade uma das palavras de ordem nos dias de hoje, as coberturas ajardinadas têm sido uma tecnologia construtiva amplamente discutida. Estas coberturas têm como vantagens a diminuição de efeito de ilha de calor dos edifícios, a melhoria do isolamento térmico da cobertura e a absorção de parte das águas pluviais, ajudando à drenagem das mesmas. Conforme os edifícios sejam ventilados ou não, o sistema construtivo será alterado. Na Fig. 2.12 apresenta-se a constituição deste tipo de coberturas. Fig. 2.12 - Constituição das coberturas ajardinadas (Mascarenhas, J., 2006b) Um outro tipo de revestimento cada vez mais utilizado quando se pretende reabilitar tendo em vista melhorar a eficiência energética das coberturas inclinadas, são os paineis sandwich. Estes paineis têm como principal vantagem não só o isolamento térmico, como o isolamento acústico e o contraventamento da estrutura. Num painel sandwich identificam-se três camadas distintas: o extradorso (que deve ser colocado pelo exterior e ser imputrecível), o isolamento térmico própriamente dito, que pode ser poliestireno expandido ou extrudido, e, finalmente, o intradorso que deve proporcionar ao conjunto um valor estético acrescido. (Mascarenhas, J., 2006b) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 18 2.4. ANOMALIAS EM COBERTURAS INCLINADAS Tal como todos os elementos construtivos, também as coberturas têm por vezes anomalias que impedem a satisfação de algumas exigências. As patologias têm como origem erros de projecto, execução, manutenção, utilização ou ainda erros associados ao processo de fabrico de alguns materiais. Em Portugal, os estudos relativamente à origem das anomalias na construção não são tão frequentes como seria desejável. No entanto, em países com mais tradição neste tipo de estatísticas como a França, entende-se que a maior parte de patologias tem como origem a fase de projecto, seguida da fase de construção. Neste sentido, tendo presente as exigências e tecnologia construtiva anteriormente retratados, pretende-se nos próximos parágrafos indicar quais as principais anomalias associadas a coberturas inclinadas, para que, aquando da reabilitação térmica, possam ser evitadas. Consoante o tipo de estrutura, revestimento, clima, entre outros factores, o tipo de anomalias pode variar. Contudo, as principais serão:  Inclinação da cobertura;  Ventilação da cobertura;  Geometria dos elementos construtivos;  Encaixe, sobreposição e alinhamento das telhas;  Aplicação de quantidades excessivas de argamassa;  Fracturas;  Acumulação de lixos;  Descasque;  Diferença de tonalidades;  Destacamento de telhas;  Infiltrações de água;  Danificação/Deficiência dos sistemas de drenagem de águas pluviais;  Deficiente isolamento térmico; Nem todas as anomalias anteriormente referidas estão relacionadas com o comportamento térmico da cobertura. As anomalias a negrito são as mais relevantes na área da térmica dos edifícios, e estão por vezes relacionadas. A correcta inclinação da cobertura é essêncial, pois dela depende o escoamento das águas pluviais. Quanto mais inclinada a cobertura for, mais eficaz será o escoamento da água das chuvas. Contudo, a inclinação das coberturas deve ser controlada, no sentido de facilitar a construção e economizar material. A geometria da cobertura terá igualmente influência no diagrama de pressões que o vento provoca na estrutura. A inclinação a dar à cobertura dependerá, assim, da localização do edifício, mas também do material de revestimento utilizado. As telhas em zinco e o ferro galvanizado, por exemplo, devem ter uma inclinação menor do que as telhas cerâmicas (Santos, A.C.P.d.B.G.d., 2009), dadas as características dos materiais como, por exemplo, a porosidade. Do ponto de vista térmico, se a drenagem das águas não for eficaz, surgirão patologias diversas (humidade superficial, perda de resistência mecânica e térmica, fissuração, etc.), condicionando o desempenho térmico do conjunto. A aplicação de quantidades excessivas de argamassa é indesejável, pois prejudica a correcta ventilação da cobertura. Idealmente, em pontos singulares da cobertura como a cumeeira ou o laró, deve ser feito um esforço para que seja utilizada a mínima quantidade possível de argamassa. A argamassa a utilizar deve ser preferencialmente de cal hidráulica (Mascarenhas, J., 2006b) a fim de que a expansão do material com origem térmica não dê origem a fissuras. Deve ainda ser referido que a argamassa não deve ficar directamente exposta às águas pluviais, pois a humidificação desta pode dar origem a fungos ou transportar a água para o interior do edifício. Sempre que possível, a argamassa deve ser substituida por peças especiais como tamancos, cuja aplicação não implica a Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 19 utilização de argamassa de qualquer tipo. No caso do rincão (zona do telhado que resulta do encontro de duas águas) pode-se recorrer, para além de tamancos, a perfis flexíveis de borracha. O encaixe, sobreposição e alinhamento das telhas é essencial para o correcto funcionamento térmico da cobertura, tendo grande influência sobre a estanquidade do conjunto. A colocação das telhas e outros revestimentos deve permitir a ventilação controlada da cobertura, evitando-se, por outro lado, a infiltração de água, pelas razões já mencionadas. O beirado pode ser executado de forma a travar o isolamento térmico, justificando-se o cuidado especial no desenho de pormenores. O sistema de drenagem de águas pluviais deve estar previsto em qualquer cobertura, sendo composto por vários elementos, de entre os quais se destaca a caleira e o tubo de queda. Estes devem ser devidamente dimensionados de acordo com a localização do edifício, bem como características como a respectiva área e materiais que o compõem. A importância de um bom sistema de drenagem de águas pluviais prende-se com razões já apontadas, tais como evitar infiltrações de água, a humidificação excessiva da cobertura, condensações dos materiais, etc. A caleira pode ser colocada no exterior ou no interior do beirado. Ambos os sistemas têm as suas vantagens e desvantagens, sendo no primeiro caso a fácil manutenção um ponto bastante importante, pois as caleiras exigem manutenção periódica. Em caso de entupimento, por falta de limpeza, por exemplo, não se verificam inundações. Contudo, quando colocada pelo exterior, a caleira está mais exposta à acção do vento. Na execução das caleiras deve ser tida em conta a dilatação dos materiais, prevendo-se juntas para esse fim, bem como a inclinação do elemento, para que o escoamento das águas se dê mais facilmente. A fixação da caleira ao edifício deve ser cuidada, no sentido de as ligações não permitirem a infiltração de água, que compromete, como se viu, o desempenho térmico. No caso de a caleira ser interior, há que ter alguns cuidados com o cruzamento desta e de alguns elementos, como, por exemplo, o isolamento térmico (v. Fig. 2.13). A diversidade de materiais disponíveis para caleiras é muito grande, tal como para os tubos de queda. Fig. 2.13 - Pormenor de caleira interior (Mascarenhas, J., 2006b) A colocação de isolamento térmico é um dos aspectos mais importantes para um bom desempenho higro-térmico da construção. Com a colocação de isolamento térmico pretende-se a diminuição das perdas de calor na estação de aquecimento e os ganhos na estação de arrefecimento. Consequentemente, o consumo de energia será menor e o conforto dos utilizadores maior. A existência Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 26 O poliestireno extrudido (XPS) é, tal como o poliestireno expandido (EPS), também um isolante de origem sintética e de estrutura celular. Este material tem como principais características a elevada resistência mecânica (sobretudo à compressão), a insensibilidade ao ataque de ácidos e bases. O XPS é resistente à difusão do vapor de água, a absorção de água é muito baixa e apresenta capilaridade nula. O aglomerado negro de cortiça (ICB) é um produto de origem vegetal com estrutura celular. Trata-se de um produto ecológico, que possui simultaneamente características de isolamento térmico, acústico e vibrático. Este isolante tem uma grande elasticidade e capilaridade nula, sendo a sua maior desvantagem o facto de poder ser alvo de ataques biológicos. O poliuretano (PUR) é, tal como os produtos anteriores, um bom isolante térmico, com uma boa resistência mecânica e química. Este material tem uma baixa permeabilidade ao vapor de água, resiste a ataques biológicos e tem uma grande durabilidade. Na Tabela 2.3, comparam-se os cinco isolantes térmicos no que toca à correspondente massa volúmica aparente seca (ρ) e à condutibilidade térmica (λ), sendo apresentado um intervalo de valores disponível em (Santos, C.A.P.d. and Rodrigues, R., 2012). Tabela 2.3 - Comparação de isolantes térmicos aplicáveis a coberturas inclinadas (adaptado de (Santos, C.A.P.d. and Rodrigues, R., 2012)) Isolante ρ (kg m-3) λ (W m-1 ºC-1) Lã mineral (MW) Lã de rocha 20-180 0,045-0,042 Lã de vidro 8-100 0,045-0,04 EPS <11 0,055 >20 0,037 XPS 25-40 0,037 ICB 90-140 0,045 PUR 20-50 0,04-0,037 Como foi referido inicialmente, são várias as propriedades que devem ser tidas em conta aquando da selecção de um isolante. Estas propriedades devem ser indicadas pelo fabricantes e devidamente certificadas, devendo simultaneamente ser respeitados determinados limites legais ou recomendações técnicas. Assim, idealmente, o dimensionamento dos isolantes térmicos deve ser feito pela via exigêncial. Neste contexto, surge a certificação ISOLE+R, que tem como objecto os isolantes térmicos. Esta certificação analisa seis aspectos relevantes no desempenho de um isolante térmico, referindo-se cada letra da certificação a um aspecto distinto. “R” refere-se à resistência térmica que o isolante oferece. A letra “I”, por sua vez, refere-se à compressibilidade, podendo-se definir cinco níveis distintos, enquanto a letra “S”, parâmetro também organizado em cinco níveis, tem em consideração a estabilidade dimensional do material. O comportamento à água é igualmente importante, estando definido por três níveis, dizendo respeito à letra “O”, enquanto a letra “L” designa o comportamento mecânico, constituido por quatro níveis. Finalmente, a letra “E” analisa a permeabilidade ao vapor de água, estruturada em cinco níveis. A definição do nível que cada isolante possui é definida através de diversos parâmetros, definidos em (Freitas, V.P.d. and Pinto, M., 1997). O fabricante deve ser capaz de indicar os parâmetros ISOLE associados a cada material. No contexto deste trabalho, importa referir que cada elemento construtivo Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 27 tem exigências distintas, não se devendo colocar o mesmo isolante numa fachada ou numa cobertura. Na Tabela 2.1, indicam-se os níveis ISOLE que uma cobertura inclinada deve respeitar. Sabendo que, quanto maior for este índice, maior será a exigência, torna-se compreensível que a última solução da Tabela 2.4 seja aquela com índices mais elevados. Em comparação com as outras duas soluções, o isolante está sujeito a maiores solicitações e encontra-se menos protegido. Tabela 2.4 - Níveis mínimos ISOLE para isolantes a aplicar em coberturas inclinadas (Freitas, V.P.d. and Pinto, M., 1997) Solução I S O L E Desvão não acessível ventilado Isolante sobre laje horizontal 1 1 1 1 1 Isolante nas vertentes Isolante interior contínuo associado à estrutura descontínua 1 1 1 1 1 Isolante exterior sobre laje inclinada (Ventilação obrigatória do espaço de ar) 3 1 2 2 1 2.5.4. TÉCNICAS DE CONTROLO DO EFEITO DA VENTILAÇÃO NO DESVÃO DE COBERTURA O efeito da ventilação no comportamento higro-térmico dos edifícios é notório tanto na estação de aquecimento como na estação de arrefecimento. Na estação de aquecimento, a ventilação é indispensável para que se verifique uma secagem dos materiais, impedindo a respectiva degradação, e seja também conseguida uma qualidade do ar interior adequada. Por outro lado, na estação de arrefecimento o efeito da ventilação faz com que as trocas de calor por convecção sejam maiores, atingindo-se temperaturas menores, aumentando, consequentemente, o conforto. A ventilação pode ser provocada pelo efeito da acção do vento e pelo efeito chaminé. O efeito chaminé refere-se à movimentação de ar provocada pelo diferencial de temperaturas entre dois ambientes, que dá origem a um diferencial de pressão, e à consequente movimentação do ar da região mais quente para a região mais fria. O efeito da ventilação não é sempre o mesmo, pois o vento é uma acção aleatória, podendo este efeito ser mais ou menos significativo. A ventilação provocada pelo efeito chaminé também é uma acção aleatória, pois a variação de temperaturas é igualmente um fenómeno aleatório. O aspecto da ventilação das coberturas não deve ser encarado como um todo, devendo-se distinguir entre a “micro-ventilação”, que se refere à ventilação da face inferior das telhas (e outro tipo de revestimentos), e a ventilação do espaço (ocupado ou não) que a cobertura protege. A micro-ventilação permite a secagem da água que é retida pelo revestimento e pela estrutura, contribuindo para a sua durabilidade. Com a ventilação desta lâmina de ar, a possível acção do gelo tem um efeito menos agressivo e dado que as trocas por convecção são grandes, haverá um maior equilíbrio entre os dois ambientes nas duas faces do revestimento. A micro-ventilação terá como causa o efeito térmico, que consiste em admitir uma massa de ar quente a uma cota mais baixa (no beiral), e como pelos princípios da Física, o ar quente tende a subir, e extrai-lo a uma cota mais alta (na cumeeira). Neste sentido, será necessário prever a admissão e extracção de ar no beiral e cumeeira, e, quando isto não é possível, dotar a cobertura de dispositivos especiais para este fim. Nas Fig. 2.21 e Fig. 2.22, é ilustrado o princípio de ventilação anteriormente descrito. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 28 Fig. 2.21 - Princípio de ventilação na face inferior do revestimento (Associação Portuguesa dos Industriais da Cerâmica de Construção [et al.], 1998) Fig. 2.22 - Princípio de ventilação na face inferior do revestimento (Mascarenhas, J., 2006b) No que diz respeito à ventilação do desvão, este será diferente conforme este espaço seja habitado ou não. No caso de o desvão ser habitado, terá de haver uma ventilação mais controlada, de modo a que as correntes de ar e as baixas temperaturas na estação de aquecimento não sejam motivo de desconforto para os utilizadores. Nestes casos, há que estudar técnicas específicas para admissão e extracção de ar. Se o espaço não for ocupado, a ventilação será conseguida pela permeabilidade dos elementos constutivos que compõem a cobertura, bem como por eventuais aberturas. Também no caso da ventilação do desvão, a circulação de ar é provocada pelo efeito da tiragem térmica. De acordo com (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009), as aberturas de admissão de ar, situadas a cotas mais baixas devem ter uma área correspondente a 1/1000 da área total da cobertura enquanto que as saídas de ar, situadas a cotas mais altas, devem ter uma área próxima de 1/800 da área total da cobertura. Quando o espaço não é ocupado, é habitual isolar térmicamente a laje horizontal. Contudo, uma outra solução a adoptar consiste em isolar as vertentes e a laje horizontal. Neste caso, é conveniente que o desvão de cobertura seja fortemente ventilado, de modo a que seja conseguido o efeito de pára-sol. Com a forte ventilação do espaço e a grande resistência térmica das vertentes, a temperatura do ar no desvão será aproximadamente igual à temperatura no exterior, anulando-se o efeito da radiação solar, Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 29 o que é vantajoso na estação de arrefecimento. Isolando a laje horizontal, pretende-se que o ambiente subjacente à cobertura seja mais confortável do que no desvão de cobertura. 2.5.5. TÉCNICAS DE CONTROLO DO EFEITO DA RADIAÇÃO SOLAR NO DESVÃO DE COBERTURA A temperatura superficial dos elementos é consequência de dois efeitos principais, nomeadamente a temperatura e a radiação solar. O modo como a radiação é absorvida e emitida varia de material para material e pode ser caracterizada pelo coeficiente de absorção e de emissividade. As superfícies negras têm tipicamente um coeficiente de absorção próximo de 1, enquanto que superfícies muito claras tendem a ter este parâmetro bastante reduzido. Na estação de aquecimento interessa máximizar este valor, enquanto que na estação de arrefecimento pretende-se que seja o menor possível. Nas coberturas inclinadas, a radiação solar tem especial importância, pois, dada a sua inclinação, estão sujeitas a uma grande incidência de radiação solar, sendo o elemento em todo o edifício com as maiores amplitudes térmicas diárias. De modo a controlar este efeito, têm vindo a surgir no mercado produtos que fazem com que o coeficiente de absorção baixe consideravelmente, aumentando o conforto na estação de arrefecimento. O tratamento que é dado às telhas cerâmicas tem não só um efeito positivo do ponto de vista do conforto e da poupança de energia, como também do ponto de vista da durabilidade. De acordo com (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009), as coberturas devem ser de cor clara com um coeficiente de absorção para a radiação solar não superior a 0,4. Devido a índices de reflectividade altos, a temperatura superficial do revestimento deve ser próxima da temperatura exterior, aumentando o conforto na estação de arrefecimento. O efeito da radiação nas coberturas pode também ser optimizado para as clarabóias. Tal como acontece nos outros envidraçados de um edifício, podem ser colocados vidros com factores solares, coeficientes U e de transmissão solar mais baixos, optimizando o comportamento na estação de arrefecimento. Por outro lado, na estação de aquecimento, se o coeficiente U for mais baixo, o edifício, a uma temperatura superior à exterior, perderá menos calor e será consequentemente mais confortável. Com um menor factor solar os ganhos solares serão menores e o conforto também menor, sendo imprescindível estudar de forma conjunta a variação de todos os parâmetros. No caso dos envidraçados, as protecções solares são bastante importantes apesar de as clarabóias, serem difíceis de sombrear, por serem elementos horizontais. Por outro lado, o objectivo é que a luz captada por esses elementos seja o maior possível, pois são normalmente fontes de iluminação gratuita durante o dia para o edifício. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 30 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 31 3 AVALIAÇÃO DO CASO DE ESTUDO 3.1. DESIGNBUILDER E ENERGYPLUS 3.1.1. INTRODUÇÃO Se, por um lado, se reconhece a importância crescente dos estudos higrotérmicos e energéticos nos edifícios, reconhece-se, por outro lado, uma complexidade também crescente no modo de construir em Portugal e no resto do mundo. A importância de estudos aprofundados justifica-se com crescentes exigências de conforto, mas também com questões ambientais. Estes dois aspectos levam a que a tecnologia construtiva seja cada vez mais aperfeiçoada e, em alguns casos, mais complexa. Consequentemente, o estudo térmico das construções torna-se também mais complexo, requerendo ferramentas cada vez mais sofisticadas. Enquanto que, no início da segunda metade do séc. XX, a disponibilidade de computadores e até mesmo de calculadoras era escassa, hoje em dia o mercado oferece inumeros programas de cálculo cada vez mais complexos, cujos resultados são cada vez mais fiáveis. Os programas de cálculo automático na área da engenharia civil, incluindo naturalmente a área da térmica de edifícios, podem ser divididos em vários grupos, dependendo do objectivo do estudo: programas pagos ou gratuitos, com modelos de transferência de calor 1-D, 2-D ou 3-D, funcionando em regime transitório ou permanente, etc. O EnergyPlus é um programa da autoria do Departamento de Energia (DOE ou The Department Of Energy) nos Estados Unidos da América (Costa, M.F.C.C.d., 2013) e é uma das ferramentas mais utilizadas na área da térmica de edifícios, focando-se a análise em parâmetros energéticos e de conforto. O programa funciona em regime transitório e o respectivo manuseamento é bastante complexo, justificando-se a existência de interfaces destinadas a facilitar a utilização do mesmo. O DesignBuilder (DesignBuilder, 2010), criado em 2005 (Neves, F.J., 2006), é uma interface de acesso ao EnergyPlus em que a introdução e manipulação de dados é bastante mais amigável do que no EnergyPlus. As vantagens em utilizar o DesignBuilder em detrimento de outro programa de cálculo disponível no mercado são várias. Com o DesignBuilder, é possível construir geometrias bastante complexas, sendo estas desenhadas no próprio programa ou criadas a partir de modelos em AutoCAD ou Google SketchUp. O EnergyPlus possui um base de dados de materiais bastante alargada, sendo contudo possível o próprio utilizador especificar novos materiais e as respectivas características. O tipo de ocupação é igualmente determinado pelo utilizador. O sistema AVAC do edifício em estudo é também rigorosamente descrito. No que toca às condições climáticas exteriores, o DesignBuilder possui uma extensa base de dados (1258 locais (NaturalWorks)), em que, para cada localidade, são disponibilizados valores horários (para um ano típico) de parâmetros como a temperatura, humidade relativa, velocidade e direcção do vento, bem como dados relativos à radiação solar. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 32 O DesignBuilder é um programa que pode ser utilizado na fase de projecto, havendo várias opções de cálculo específicas no programa para esse fim, mas também como ferramenta para avaliar o comportamento do edifício depois de construido, como é o caso deste trabalho. A fácil alteração de variáveis como materiais de construção, ocupação ou sistema de AVAC, permite uma fácil comparação de situações. Tal como foi referido, o programa pode aceder a bases de dados com valores detalhados (anuais, mensais, diários, horários) das condições atmosféricas exteriores. Contudo, é possível alterar estes valores para valores medidos no exterior. Para cada localidade, o EnergyPlus possui igualmente dados estatísticos com diversos níveis de confiança associados, em que é possível efectuar os cálculos para o dia com condições mais extremas, para a estação de aquecimento e arrefecimento. Os dados de saída do programa são vários, referindo-se, por exemplo, parâmetros de conforto (temperatura interior, radiante e operativa), humidade relativa interior, balanços de calor, bem como ganhos internos (através de iluminação, ocupação, equipamentos e solares pelas janelas). Os valores relativos aos parâmetros anteriormente referidos são visíveis através de tabelas, gráficos ou uma combinação de ambos. Acresce ainda a possibilidade de exportar os resultados para outros programas, em que os valores podem ser manipulados. Uma outra vantagem do DesignBuilder consiste em ser possível simular o edifício como um todo e obter resultados detalhados para cada divisão. 3.1.2. DADOS DE ENTRADA A interface do utilizador do DesignBuilder está dividida em três separadores, como se pode ver na Fig. 3.1. À esquerda encontra-se o painel de navegação em que são especificados, por níveis hierarquicos, os diferentes componentes do edifício. Os edifícios, inseridos em determinado local, são compostos por blocos, que consistem, por sua vez, num conjunto de ‘zonas’. As ‘zonas’ são um conjunto de superfícies e aberturas. A atribuição das diversas características dos componentes funcionam segundo um esquema em árvore. Assim, os dados especificados para um determinado edifício serão os mesmos para todos os componentes. Se os dados de determinada zona forem alterados, estas diferenças repercutir-se-ão apenas para todas as superfícies e aberturas dessa mesma zona. Esta metodologia facilita bastante a introdução de dados, bem como a compreensão e organização do edifício. No separador central, encontra-se o painel de edição (v. Fig. 3.1). Em cima são identificadas várias caixas diferentes e toda a informação nelas contida caracterizará por completo o edifício em estudo. Ainda no painel de edição, em baixo, o utilizador especifica qual a acção que pretende levar a cabo: editar o modelo, visualizá-lo, efectuar os cálculos da estação de aquecimento ou de arrefecimento ou simular o comportamento do edifício para um determinado intervalo de tempo. No separador à direita, encontra-se o painel de ajuda em que cada opção é detalhadamente explicada. Finalmente, em cima, é possível encontrar a barra de ferramentas, em que se podem escolher diversas opções de desenho e cálculo. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 33 Fig. 3.1 - Interface do utilizador no DesignBuilder A geometria do edifício pode ser importada através de outros programas como o AutoCAD ou Google SketchUp (DesignBuilder, 2010). Por outro lado, o DesignBuilder disponibiliza diversas ferramentas e opções de desenho que permitem a construção de modelos com geometrias bastante complexas. Caso se opte por desenhar no próprio DesignBuilder, encontrar-se-á algumas semelhanças com o desenho em Google SketchUp, o que, para quem está familiarizado com o programa, pode ser uma vantagem. Para além do desenho de paredes (interiores e exteriores) e pavimentos, as janelas, portas e outro tipo de aberturas devem também ser desenhadas no modelo. Uma vez introduzida a geometria do edifício, deve ser detalhada a actividade do mesmo. Neste separador, é possível encontrar uma vasta biblioteca de modelos (‘templates’). Assim, o utilizador pode escolher aquele que melhor se ajusta à realidade que pretende modelar ou criar o seu próprio modelo. Os modelos disponíveis foram criados para diversos tipos de edifícios (edifícios de escritórios, comércio, habitação, entre outros), em diferentes países, identificando igualmente funções diferentes para cada compartimento do edifício em questão (cozinhas, espaços de circulação, garagens, etc.). Escolhendo um determinado modelo serão consequentemente introduzidos valores padrão para todos os parâmetros relacionados com a actividade do local em análise. A escolha dos modelos é recomendada quando o utilizador não possui valores aproximados daqueles que se verificam na realidade. Os guias do utilizador avisam expressamente que na ausência de melhor informação, o utilizador deve recorrer aos modelos disponíveis e alterar apenas os valores que considerar, de facto, desadequados. O separador da actividade está relacionado com diversos parâmetros. Um desses parâmetros é a ocupação, sendo necessário especificar a densidade de ocupação (pessoas m-2) e o horário dessa mesma ocupação (de que horas até que horas do dia e quantos dias por semana). Por outro lado, é necessário introduzir valores em relação ao metabolismo, especificando-se um factor entre 0 e 1, correspondendo 1 ao caso de o espaço ser apenas ocupado por homens, bem como valores Painel de edição Painel de navegação Painel de ajuda Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 34 relativamente à roupa utilizada (1,0 clo e 0,5 clo para a situação da estação de aquecimento e arrefecimento, respectivamente). O utilizador deverá ainda especificar qual o consumo médio diário de água (em l m-2 dia-1) assim como temperaturas de controlo do ambiente interior. Aqui, deve ser indicado a partir de que temperatura do ar interior (ou outro parâmetro de controlo) o sistema de aquecimento, arrefecimento e ventilação natural devem ser accionados e que temperatura devem atingir. Finalmente, devem ser especificados outros tipos de ganhos internos (em W m-2) e o respectivo horário, resultantes do funcionamento de computadores, equipamento de escritório, entre outros. O segundo tipo de informações que o utilizador deve indicar no modelo diz respeito aos elementos construtivos. O DesignBuilder é um programa inteligente, no sentido em que o utilizador não necessita de especificar a categoria de cada tipo de elemento construtivo, pois o programa reconhece automaticamente paredes exteriores, interiores, pavimentos interiores ou outros elementos, consoante a respectiva posição no conjunto. Assim, são identificados todos os elementos construtivos passíveis de existir num edifício, sendo a cada um deles associadas espessuras e posições de diferentes materiais construtivos. Também neste separador os dados são adquiridos de níveis superiores. As paredes exteriores especificadas para o edifício serão iguais em todas as zonas, salvo o caso de o utilizador decidir alterar alguma delas. Assim como acontecia no separador relativo à actividade, também no separador relativo aos elementos construtivos é disponibilizada uma vasta lista de modelos construtivos, sendo também possível introduzir configurações diferentes. O programa tem ainda uma base de dados de materiais muito alargada, em que a cada material são associadas diversas propriedades físicas e térmicas, necessárias ao cálculo. Existe também a possibilidade de introduzir manualmente materiais que não estejam especificados na biblioteca do programa. No separador relativo aos elementos contrutivos são ainda definidos dados relativos à infiltração de ar na construção, opção esta que pode ser eventualmente desligada. O separador relativo às aberturas (janelas e portas) tem um funcionamento análogo aos separadores anteriores, existindo uma vasta biblioteca com modelos, sendo mais uma vez possível o utilizador introduzir os dados manualmente, de acordo com o que desejar simular. Quanto às janelas exteriores, é possível recorrer a uma lista de janelas pré-definidas ou definir as janelas manualmente. Há duas vias para as definir: ou recorrendo a camadas (‘layers’), cujos materiais podem ser escolhidos a partir de uma lista pré-definida ou especificados manualmente, ou especificando as características do conjunto (coeficiente de transmissão térmica, transmissão luminosa e transmissão solar total). Caso os valores especificados não incluam o efeito de sombreadores e caixilhos, o efeito pode ser tido em conta especificando características como a espessua dos caixilhos ou o respectivo material, entre outros, numa opção mais à frente. Por outro lado, é aqui que devem ser dadas informações relativamente à abertura de janelas exteriores e interiores, portas e outro tipo de aberturas, caso existam. Devem também ser indicados os dispositivos de sombreamento, a sua posição (pelo interior ou exterior), bem como o critério de activação dos mesmos (horário, temperatura interior ou exterior, entre outros). O separador referente à iluminação deve ser preenchido tendo em mente todos os princípios já referidos relativamente à hierarquia de dados, bem como à existência de modelos. Neste separador distinguem-se vários tipos de iluminação, como por exemplo a iluminação geral e exterior. Em cada um dos tipos de iluminação deverá ser indicada a energia associada (W m-2 100lux, W m-2 ou simplesmente W, dependendo do tipo de iluminação em causa) bem como o período em que está ligada. Estes são valores por vezes difíceis de estimar e, uma vez mais, é aconselhado recorrer-se a um modelo e alterá-lo apenas no caso de serem conhecidos valores precisos. Neste separador, existe um Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 35 modelo que se refere genéricamente aos edifícios em Portugal, não se distinguindo, por exemplo, entre edifícios de serviços e habitação. O sistema AVAC é uma funcionalidade que requer informação bastante detalhada, sendo permitido simular edifícios associados a um nível de tecnologia baixa, em que existe, por exemplo, apenas um sistema de aquecimento de águas, bem como edifícios em que é possível encontrar um sistema de aquecimento e arrefecimento do ar interior, ventilação natural, etc. O sistema AVAC dos edifícios assume uma importância crescente com influência no desempenho termo-energético do edifício. A influência dos sistemas AVAC em conjugação com o DesignBuilder pode ser encontrada em (Costa, M.F.C.C.d., 2013), por exemplo. Detalhando os dados de entrada referentes ao sistema AVAC, devem ser introduzidos valores referentes:  Ao sistema de ventilação mecânica;  À energia auxiliar utilizada (caso exista);  Ao sistema de aquecimento e arrefecimento (combustível, COP, horário de funcionamento, entre outros);  Ao sistema de aquecimento de àguas sanitárias (combustível, COP, horário de funcionamento, entre outros);  Ao sistema de ventilação natural. 3.1.3. METODOLOGIA DE CÁLCULO Os edifícios simulados com o EnergyPlus são compostos por diversos blocos, que, por sua vez, são compostos por ‘zonas’, conjunto de superficíes com ou sem aberturas. É a partir da definição das ‘zonas’ que o programa calcula todos os dados de saída. De modo a diminuir o tempo de cálculo e também porque fisicamente a separação de dois espaços com uma parede interior não determinada obrigatóriamente espaços com diferenças higrotérmicas significativas, o número de ‘zonas’ dentro dos edifícios deve ser minimizado. O programa permite ainda excluir determinadas ‘zonas’ do cálculo térmico, considerando que a ‘zona’ incluida no cálculo e a excluida se encontram à mesma temperatura, não havendo transferência de calor entre elas. Tendo o nível ‘zona’ como unidade base, os valores que o programa fornece para um bloco ou para o edifício, corresponde à média ponderada dos valores obtidos para a ‘zona’ pela respectiva área. O modelo considerado pelo EnergyPlus reduz cada ‘zona’ a um ponto (ou seja, a um nó), pois considera que o ar interior de uma zona está suficientemente misturado ao ponto de se conseguir considerar a temperatura uniforme (Gonçalves, D.F.P., 2010). De acordo com (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009), “o modelo não-estacionário mais simples para simular o comportamento termo-energético de um local é o que recorre apenas a um nó de cálculo-o do ar interior”. Este tipo de modelo baseia-se no princípio da conservação da energia, estabelecendo-se que a “taxa de variação da energia térmica no nó é igual ao somatório dos fluxos de calor que carregam o nó” (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009). Assim, o DesignBuilder é um programa especialmente dedicado ao cálculo de parâmetros térmicos para volumes, sendo contudo possível obter informações relativamente a temperaturas superficiais activando uma opção para esse efeito. Na Fig. 3.2, encontram-se esquematizados os princípios anteriormente referidos, nomeadamente as trocas de calor entre uma ‘zona’ genérica e o ambiente em que esta se encontra inserida. O ambiente em análise encontra-se sujeito à acção da temperatura, assumindo-se na Fig. 3.2 que o exterior se encontra a uma temperatura superior à do interior, da radiação (solar directa, difusa e reflectida e interna), da ventilação (infiltração, admissão e extração de ar) e da actividade (produção de calor e humidade). Estes quatro fenómenos são os principais responsáveis pelo comportamento térmico global do edifício e devem ser detalhadamente descritos aquando da modelação do edifício. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 42 tendo-se igualmente reparado pinturas e pavimentos. Na década de 2000 destacaram-se duas intervenções. A primeira consistiu na reabilitação da cobertura do edifício, pois esta apresentava-se bastante danificada. Como foi referido, inicialmente a cobertura era constituída por uma estrutura em madeira, sendo o revestimento em telhas cerâmicas. Após a intervenção o tipo de estrutura manteve-se (v. Fig. 3.8). Fig. 3.8 - Desvão de cobertura do caso de estudo As vertentes da cobertura foram isoladas térmicamente e, apesar de nos casos em que o desvão não é utilizado esta não ser, à partida, a opção mais aconselhada, foi a única solução possível, pois a laje horizontal incorporava algumas tubagens e instalações eléctricas difíceis de alterar. Na constituição das vertentes encontra-se uma camada de contraplacado de madeira de 12 mm de espessura, 5 cm de XPS, uma camada de ar de 1 cm de espessura e, como revestimento, telhas cerâmicas do tipo Marselha. As vertentes da cobertura tinham inicialmente clarabóias, constituidas por telhas de vidro e vidro simples de 4 mm, como o resto dos envidraçados do edifício. Na laje de tecto do piso 2, havia outras duas clarabóias com os mesmos materiais. Após a intervenção na cobertura, colocou-se isolamento térmico e alterou-se também o tipo de vidro utilizado nas clarabóias. Para aquelas que estão nas vertentes a Este e Oeste utilizou-se vidro duplo (6 + 16 + 4) com caixilharia metálica com corte térmico e para as clarabóias interiores recorreu-se a vidro temperado. Por outro lado, colocou-se adicionalmente nas vertentes a Norte uma janela que pode ser aberta quando o utilizador assim pretender. Fig. 3.9 - Clarabóia (interior e exterior) Este após a intervenção Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 43 A segunda e última intervenção consistiu em substituir todas as janelas e portas exteriores envidraçadas do edifício. As antigas janelas e portas envidraçadas (4 mm de vidro simples e caixilharia de madeira) foram substituídas por vidros duplos (6 + 14 + 4) de baixa emissividade, sendo o gás que ocupa a camada interior ar. As caixilharias de madeira deram lugar a caixilharias de PVC. 3.2.2. CONSTRUÇÃO DO MODELO DE CÁLCULO O objectivo da modelação baseada em programas de cálculo automático é a representação fiel da realidade. A construção de um modelo deverá ser uma cópia adaptada e simplificada da realidade. As simplificações exigem que tanto o objecto como a metodologia de cálculo do programa tenham sido entendidos antes da modelação. A moradia em estudo foi modelada, desenhando-se no próprio DesignBuilder um edifício com três pisos, orientando-se a fachada principal a Sul, como acontece na realidade. O edifício a Oeste é uma garagem com apenas um piso. Consequentemente, o piso 1 e 2 do caso de estudo estão em contacto com o exterior e o piso 0 em contacto com um local não aquecido, sendo razoável assumir que a fachada Oeste está em contacto com o ar exterior em toda a sua área. O edifício a Este é um edifício de habitação multifamiliar, também de três pisos. Supondo-se que o edifício a Este anteriormente referido está à mesma temperatura que o caso de estudo, considerou-se que a parede exterior Este seria adiabática, não havendo portanto trocas de calor entre os dois edifícios. Nas Fig. 3.10 e Fig. 3.11 estão representadas as fachadas Sul e Norte do modelo de cálculo. Fig. 3.10 - Fachada Sul do modelo Fig. 3.11 - Fachada Norte do modelo Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 44 No que diz respeito às paredes interiores, foram apenas modeladas as paredes dos quartos do piso 2. O objectivo deste trabalho é estudar a reabilitação térmica de coberturas de edifícios e, como se sabe e se comprovará mais à frente, a influência desta intervenção é apenas notória no piso imediatamente abaixo da cobertura. Nos pisos inferiores, a existência (ou não) de isolamento não se faz sentir. No piso 1 torna-se aceitável a identificação de apenas uma zona, pois quase todas as portas de comunicação estão habitualmente abertas todo o dia. Por outro lado, justificou-se distinguir os três quartos no piso 2, pois dois deles estão orientados a Sul e um a Norte, tendo a radiação solar influência no desempenho térmico. Os dois quartos a Sul foram separados, porque um deles é recuado, com uma varanda e outro não. Assim, o sombreamento poderá ter influência no comportamento térmico do quarto. A Fig. 3.12 consiste numa imagem do modelo do piso 2. A existência das escadas em caracol que ligam os três andares foi representada através de uma abertura circular. A cobertura inclinada a quatro águas foi desenhada com a geometria recolhida do projecto (inclinação de cerca de 30°). Fig. 3.12 - Modelo piso 2 A utilização de modelos disponibilizados pelo programa foi especialmente útil para a especificação das condições de actividade em cada uma das zonas, pois não se dispunha dos valores reais necessários ao cálculo. Como o EnergyPlus e o DesignBuilder são programas reconhecidos, cuja fiabilidade já foi aferida por várias vezes, referindo-se autores como (Tobias Maile, M.F.V.B., 2007) e (Crawley, D. [et al.], 2005), considerou-se que utilizar estes modelos não seria desadequado. Em primeiro lugar deve ser distinguido o conceito de ‘zona-tipo’, interessando apenas para o caso em estudo o caso das zonas padrão e as zonas semi-exteriores incondicionadas. As primeiras referem-se a zonas ocupadas ou ocupadas intermitentemente, que podem ser aquecidas ou arrefecidas, e as segundas são zonas não ocupadas que não podem ser aquecidas nem arrefecidas. Consequentemente, considerou-se todas as zonas como sendo ocupadas, à excepção da garagem e do desvão de cobertura, dado que, para estes dois casos, no separador relativo à actividade, todos os valores foram considerados pelo programa nulos (densidade ocupacional, produção interna de calor através de equipamentos e iluminação). Na verdade, a luz da garagem é ligada esporadicamente, mas como este é um fenómeno tão aleatório e tão curto no tempo, pode ser desprezado. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 45 No caso dos quartos, sabendo-se a área e o número de pessoas que aí dormem, obteve-se a densidade de ocupação, considerando-se que estes espaços eram ocupados das 21:00 às 9:00 horas. No caso do hall do piso 2 utilizou-se o modelo relativo a espaços de circulação, o que dá uma densidade de ocupação de 0,0155 ocupantes m-2 e considerou-se por defeito que o espaço seria ocupado as 24 horas do dia, por ser difícil restringir mais o horário de ocupação. Visto que o piso 1 tem vários tipos de ocupação, considerou-se o mesmo tipo de ocupação que anteriormente, das 9:00 às 23:00 horas. Assim, desprezou-se a produção de calor através de equipamentos da cozinha ou do televisor na sala de estar. Esta aproximação pareceu razoável, pois quando se cozinha é habitual abrir as janelas e fechar a porta de comunicação com o resto do edifício, não se fazendo sentir muito esta produção pontual de calor. Desprezar o efeito de um televisor na área em estudo pareceu também ser aceitável. No piso 0, existe uma garagem, salas de arrumos, duas salas e um quarto de banho. Como este andar é raramente utilizado, não se verificando produção de calor interno significativa, decidiu-se considerar, por norma, que todo o espaço do piso 0 (à excepção da garagem) seria de circulação. Este modelo considera que neste tipo de espaços há uma densidade ocupacional de 0,0155 ocupantes m-2, tendo-se especificado que o espaço estaria ocupado entre as 9:00 e as 23:00 horas, 7 dias por semana. Mais uma vez, a realidade não é exactamente esta, mas é a aproximação mais razoável, pois a casa costuma estar ocupada 7 dias por semana, podendo haver actividade neste intervalo de tempo. Para além do efeito da ocupação, considerou-se que haveria uma produção de ganhos internos a partir de equipamentos de 1,57 W m-2 (valor sugerido pelo modelo) para os quartos das 21:00 às 24:00 horas e das 9:00 às 23:00 horas no piso 0 e 1. Recorrendo a valores típicos sugeridos pelo programa para Portugal, considerou-se que a iluminação provocaria um ganho de 3,4 W m-2 100lux das 18:00 às 24:00 horas nos compartimentos ocupados. De acordo com (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) “dada a dificuldade em identificar com rigor todas as fontes de ganhos internos num edifício, com base na experiência corrente é costume correlacionar esses ganhos com a área útil de pavimento”. Os elementos construtivos foram introduzidos tendo por base a informação recolhida no projecto, mas também a observação da envolvente. Para muitos materiais não se possuia valores reais das propriedades térmicas, tendo sido assumido um valor médio. No que diz respeito às paredes exteriores, distinguiu-se a orientada a Sul, que é revestida com material cerâmico, das restantes que são apenas rebocadas. Na memória descritiva lia-se que as paredes exteriores seriam de perpianho de granito, com 28 cm de espessura. O perpianho é uma tecnologia construtiva, tipicamente utilizada na primeira metade do século XX, hoje em dia em desuso, e que consiste basicamente na construção de paredes em alvenaria de pedra, de um só pano (Almeida, C. [et al.], 2011). Consequentemente, as paredes orientadas a Este, Oeste e Norte foram construídas com 5 cm de reboco de cimento no exterior, 28 cm de granito e no interior 3 cm de reboco de gesso no interior. A parede orientada a Sul tem como camada exterior 5 cm de revestimento cerâmico, sendo as outras duas camadas iguais às das paredes Norte, Este e Oeste. No que diz respeito às paredes interiores, os 7 cm de alvenaria de tijolo furado estão em contacto com 3 cm de reboco de gesso de cada lado. Por simplificação, os pavimentos interiores são compostos por 15 cm de betão armado (valor retirado do projecto de estruturas), 3 cm de reboco de gesso na face inferior e 5 cm de madeira na face superior. Considerou-se que toda a área teria um acabamento em madeira, desprezando-se as áreas dos quartos-de-banho e da cozinha, que têm uma área muito menor. No pavimento térreo, o acabamento é cerâmico, com 5 cm de espessura. Para a cobertura foram especificadas as camadas já referidas: telha cerâmica, 5 cm de XPS, 1 cm de ar e 12 mm de contraplacado de madeira. A laje horizontal de betão armado tem 15 cm de espessura e é rebocada na face inferior com 3 cm de reboco de gesso. Na Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 46 Tabela 3.1 apresentam-se os valores relativos à condutibilidade térmica dos elementos construtivos. Como não se sabe ao certo os materiais aplicados, considerou-se adequado proceder a uma comparação com os valores médios do ITE 50 (Santos, C.A.P.d. and Rodrigues, R., 2012). Há outros valores que o programa considera para cada material, mas, como a condutibilidade é o parâmetro condicionante, optou-se por apresentar apenas este. Na Tabela 3.2 apresenta-se o coeficiente de transmissão térmica de cada elemento construtivo. Tabela 3.1 - Condutibilidade térmica dos materiais de construção Material ʎ (W m-1 K-1) DesignBuilder Valor médio ITE 50 Granito 2,8 2,8 Reboco de gesso 0,51 0,4-0,57 Reboco de cimento 0,72 0,8 Revestimento cerâmico para parede Sul 1,3 1,3 Alvenaria de tijolo furado (e=7 cm) 0,42 0,37 Telha cerâmica 1,0 - XPS 0,034 0,037 Contraplacado de madeira 0,14 0,14 Laje de betão armado 1,35 1,35 Revestimento pavimento madeira 0,14 0,15 Revestimento pavimento cerâmico 1,4 1,3 Tabela 3.2 - Propriedades dos elementos construtivos Elemento construtivo U (W m-2 °C-1) Material de construção e (m) ʎ (W m-1 °C-1) Calor específico (J kg-1 °C-1) Densidade (kg m-3) Parede exterior Norte, Este, Oeste 2,511 Reboco de cimento 0,05 0,72 8,4 17,6 Granito 0,28 2,8 1000 2600 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Parede exterior Sul 2,723 Cerâmico 0,05 1,3 840 2300 Granito 0,28 2,8 1000 2600 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Paredes interiores 1,1916 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Alvenaria de tijolo 0,07 0,42 840 1250 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 47 Elemento construtivo U (W m-2 °C-1) Material de construção e (m) ʎ (W m-1 °C-1) Calor específico (J kg-1 °C-1) Densidade (kg m-3) Tecto Piso 2 3,1 Betão armado 0,15 1,35 1000 1800 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Pavimentos interiores 1,235 Revestimento madeira 0,05 0,14 1200 650 Betão armado 0,15 1,35 1000 1800 Reboco de gesso 0,03 0,51 960 1120 Pavimento térreo 2,802 Betão armado 0,15 1,35 1000 1800 Revestimento cerâmico 0,05 1,4 840 2500 Cobertura inclinada sem isolamento 2,496 Telhas cerâmicas 0,025 1,0 800 2000 Camada de ar 0,01 - - - Contraplacado de madeira 0,012 0,14 1880 550 Cobertura inclinada com 5 cm isolamento 0,534 Telhas cerâmicas 0,025 1,0 800 2000 Camada de ar 0,01 - - - XPS 0,05 0,034 14 35 Em relação aos envidraçados, dado que só se sabia que estes eram inicialmente compostos por um vidro simples de 4 mm e uma caixilharia de madeira, recorreu-se à informação disponibilizada pelo ITE 50, bem como a valores típicos indicados em (França, N.), para os caracterizar. Os envidraçados existentes hoje-em-dia são vidros duplos (4 + 16 + 6) de baixa emissividade com caixilharia de PVC. Sabendo-se qual é o modelo do vidro, consultou-se um catálogo comercial (A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, L.) e obteve-se o valor da transmissão solar e do factor solar g, sendo que o valor do coeficiente U foi retirado do ITE 50. As clarabóias exteriores e interiores iniciais eram constituidas por telhas de vidro e vidro simples, respectivamente, tendo os valores característicos sido obtidos em (França, N.). Os valores relativos às clarabóias interiores, após a intervenção na cobertura (vidros simples temperados), foram também considerados valores característicos. No que diz respeito às segundas clarabóias exteriores, o valor do coeficiente U foi retirado do ITE 50 e os valores relativos ao factor solar e à transmissão luminosa do catálogo comercial do vidro (A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, L.). Na Tabela 3.3, indica-se os valores anteriormente referidos. A Fig. 3.13 corresponde ao modelo da cobertura, incluindo o desenho das clarabóias exteriores e interiores. Tabela 3.3 - Propriedades dos envidraçados Envidraçados Descrição U (W m-2 °C-1) Uwdn (W m-2 °C-1) g (-) Transmissão luminosa (-) Exteriores 1 Vidro simples (4 mm); Caixilharia de madeira; Dispositivo de oclusão nocturna 5,1 a) 3,4 a) 0,85 b) 0,9 b) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 48 Envidraçados Descrição U (W m-2 °C-1) Uwdn (W m-2 °C-1) g (-) Transmissão luminosa (-) com baixa permeabilidade ao ar Exteriores 2 Envidraçado simples, 1 vidro simples; lâmina de ar 16 mm; baixa emissividade; Dispositivo de oclusão nocturna de baixa permeabilidade ao ar; caixilharia de plástico 2,5 a) 2,0 a) 0,42 d) 0,7 d) Clarabóias exteriores 1 Vidro simples (4 mm) 5,8 b) - 0,85 b) 0,9 b) Clarabóias exteriores 2 Envidraçado simples; 2 vidros; 16 mm de ar; caixilharia metálica com corte térmico 3,3 a) - 0,42 c) 0,7 c) Clarabóia exterior móvel - 2,8 e) - 0,78 e) 0,83 e) Clarabóias interiores 1 Vidro simples (4 mm) 5,8 b) - 0,85 b) 0,9 b) Clarabóias interiores 2 Vidro temperado 5,7 b) - 0,7 b) 0,8 b) a) Fonte:(Santos, C.A.P.d. and Rodrigues, R., 2012) b) Fonte:(França, N.) c) Fonte:(A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, L.) d) Fonte:(A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, L.) e) Fonte:(VELUX, 2014) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 49 Fig. 3.13 - Modelo das clarabóias exteriores e interiores O DesignBuilder permite que sejam colocados dispositivos de sombreamento nos vãos envidraçados de acordo com um determinado horário (ou outro critério), existindo uma lista de modelos para esse fim. Contudo, os dispositivos que esta lista continha não eram exactamente os dispositivos existentes na realidade e não se dispunha de dados relativos aos dispositivos existentes na realidade, de modo a introduzi-los no programa. Por outro lado, todos os vãos envidraçados exteriores possuem uma cortina translucida pelo interior e o programa não permite que sejam considerados dois tipos de dispostivos, como existe na realidade. Consequentemente, optou-se por considerar que o valor do coeficiente U dos envidraçados exteriores seria o valor médio dia-noite, indicado no ITE 50. Apesar de se saber que o valor do factor solar também varia ao longo do dia com a activação dos dispositivos de sombreamento, optou-se por considerar o indicado pelo fabricante ou na bibliografia relevante. O ideal seria diferenciar as características dos envidraçados ao longo do dia, o que não é possível com este programa. Considerou-se que em todos os envidraçados exteriores haveria uma cortina translucida, cujas características se encontraram num modelo definido pelo DesignBuilder. As portas entre compartimentos estão, por sua vez, abertas das 9:00 às 23:00 horas, ou seja, fora do horário em que os ocupantes estão a dormir. Relativamente ao sistema AVAC, considerou-se que o edifício era aquecido na estação de aquecimento 7 dias por semana, das 18:00 às 23:00 horas, devendo ser atingida uma temperatura do ar interior de 20 ºC. O sistema de aquecimento do ar interior e das águas sanitárias é a gás, tendo o primeiro um COP de 0,8 e o segundo um COP de 0,85. Estes valores são valores típico sugeridos pelo programa, que não foram alterados, pois não havia informação mais precisa. A ventilação natural pode ser definida pela via scheduled ou calculated. A primeira opção destina-se à modelação de edifícios em fase de projecto pouco avançada, em que se assumem valores típicos para o caudal de ventilação natural, para a modelação de edifícios em fase de estudo avançado em que são conhecidos valores aproximados dos caudais de ventilação ou para os casos em que o caudal da ventilação natural é muito menor do que outro tipo de fluxos de calor no edifício. Por outro lado, a opção calculated destina-se a casos em que não há dados relativamente à ventilação natural, sendo também indicada para a simulação de edifícios em que a ventilação natural pode ser optimizada e estudos de sobreaquecimento, quando não há sistema de arrefecimento. Esta metodologia é também recomendada para os casos em que o controlo da ventilação não é automático (baseado em dispositivos de admissão e extracção de ar), mas sim manual. Na opção calculated, o programa baseia-se nos dados de entrada do edifício (geometria, materiais, horário de ocupação, etc.) e nos dados meteorológicos, calculando diferenças de pressão e, consequentemente, caudais de circulação. Com esta opção, o caudal de ventilação não é constante, ao contrário do que acontece na opção scheduled, em se verifica uma taxa de renovação do ar constante. No separador relativamente à actividade deve ser definida a temperatura a partir do qual as janelas e portas serão abertas. A ventilação natural será activada sempre que três condições sejam satisfeitas simultaneamente (DesignBuilder, 2010):  A temperatura interior (obtida através da simulação) seja superior à temperatura definida para a abertura de portas e janelas;  A temperatura interior seja superior à temperatura exterior (obtida a partir dos dados meteorológicos);  O horário de abertura de janelas e portas esteja activado . Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 50 Por outro lado, as infiltrações de ar através de elementos construtivos é tida em consideração pelo programa, sendo apenas necessário especificar no separador relativo à construção qual o estado de conservação do edifício. Seria interessante utilizar a opção calculated, dado que os caudais de ventilação variam com as condições meteorológicas, tal como acontece na realidade. Contudo, as três condições que permitem com que a ventilação natural entre em funcionamento fazem apenas sentido para a situação da estação de arrefecimento, em que o objectivo da ventilação natural é principalmente o arrefecimento do ar interior. Na estação de aquecimento é desejável que haja ventilação natural para que a qualidade do ar interior seja satisfatória, não sendo as janelas e portas abertas de acordo com um critério relacionado com a temperatura do ar interior. Considerando a opção calculated, as infiltrações de ar são muito reduzidas relativamente ao que se verifica na realidade. Optou-se pela opção de cálculo scheduled, em que se assumiu uma taxa de renovação do ar a partir de infiltrações constante em todo o edifício. Por outro lado, dependendo da época do ano, para um determinado período do dia, acrescentou-se um caudal mais elevado, também constante, nas zonas ocupadas devido à abertura de janelas. 3.2.3. VALIDAÇÃO DO MODELO DE CÁLCULO A fim de validar o modelo construido, que anteriormente se descreveu, procedeu-se à comparação de simulações com medições in situ. Estas medições foram realizadas ao longo de cerca de dois meses, em três fases distintas. Contudo, optou-se apenas por apresentar os resultados relativos ao primeiro conjunto de medições no final do mês de Março, em que se registaram temperaturas exteriores mais elevadas, pois, ao apresentarem-se valores horários relativamente a dois meses, daria origem a uma mancha de pontos muito densa e, portanto, difícil de interpretar. Fornecer valores diários não seria também a melhor opção, dado que, como se verá adiante, verificou-se uma amplitude térmica diária significativa, que faz todo o sentido analisar e que estaria camuflada pelo efeito da média diária. O período de tempo relativo às primeiras medições é uma amostra dos outros valores recolhidos. A recolha de valores in situ foi obtida através de pequenos sensores (Hobo), que forneceram valores na cobertura, nos quartos a Sul, a Sul com varanda, a Norte e no piso 1, de acordo com a localização em planta indicada na Fig. 3.14 e Fig. 3.15. O sensor colocado na cobertura foi colocado aproximadamente no centro geométrico deste espaço (v. Fig. 3.16). No que diz respeito à localização nos compartimentos ocupados, os sensores foram colocados de modo a que, quando as janelas e portas são abertas, não fossem atingidos por correntes de ar, que podiam alterar significativamente os valores recolhidos (v. Fig. 3.17 e Fig. 3.18). Sempre que possível, os sensores foram colocados no centro dos compartimentos. Optou-se por colocar os sensores nas divisões anteriormente referidas, dado que um quarto orientado a Norte deverá ter um comportamento térmico distinto de um quarto orientado a Sul. A recolha de valores nos dois quartos a Sul justificou-se por o quarto com varanda estar ao longo de todo o ano em sombra, sendo também espectável que tivesse um comportamento térmico distinto do quarto a Sul, sujeito ao efeito da radiação solar. Foi apenas colocado um sensor no piso 1, pois, como foi referido, as portas deste andar estão quase sempre abertas, e como se verá mais à frente, o estudo concentrar-se-á muito mais no piso 2 do que no piso 1. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 51 Fig. 3.14 - Localização dos sensores no piso 2 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 58 Fig. 3.21 - Validação para o quarto a Sul Na Fig. 3.22, comparam-se os valores para o piso 1. No que diz respeito aos valores medidos, verifica-se que os valores são estáveis, em torno de aproximadamente 20ºC, havendo no entanto flutuações da temperatura diária mais significativos do que no quarto Sul. O ajuste entre as curvas simuladas e a curva medida não é tão bom como no caso do quarto Sul e da cobertura, pois as curvas simuladas apresentam uma flutuação da temperatura horária mais significante do que a curva relativa às medições. Esta diferença de cerca de 2 ºC pode ser justificada pela subestimação da inércia térmica, já que se desprezaram as paredes interiores deste piso, mas também pela incorrecta parametrização dos envidraçados. Como foi dito, o DesignBuilder não permite que o valor do coeficiente U seja alterado ao longo do dia, tendo-se optado por utilizar o valor do U médio dia-noite. De noite, quando há a maior diferença entre o medido e o simulado, o U dos envidraçados é muito maior do que existe na realidade, baixando a temperatura do ar interior, relativamente à situação real. Este efeito será mais significativo no piso 1 do que no quarto a Sul, dado que a área envidraçada é muito maior. De dia, observa-se a tendência contrária e a temperatura simulada é superior à temperatura medida, pela mesma razão. A imprecisa parametrização dos envidraçados não está apenas relacionada com o coeficiente U, mas também com o factor solar. O factor solar varia também ao longo do dia, sendo menor com a activação das persianas. As condições de ocupação consideradas pelo programa consideram ganhos internos médios, que podem não ter sido aqueles que se verificaram na realidade no período considerado. Apesar das condições exteriores terem sido alteradas para os valores medidos pela estação meteorológica, há parametros que não foram alterados, utilizando-se o valor médio dado pelo DesignBuilder, como é o caso da precipitação. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 020 40 60 80 100 Temperatura / °C Tempo / h Tmedido Tcalc (1) Tcalc (2) Tcalc (3) Text Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 59 Fig. 3.22 - Validação para o piso 1 Neste primeiro conjunto de medições, não se utilizaram os valores relativos ao quarto Sul com varanda, devido a um problema técnico do sensor. Os valores relativos ao quarto a Norte também não foram utilizados, pois verificou-se que este quarto tem condições de ocupação muito particulares, sendo especialmente aquecido durante a noite, o que iria detorpar a comparação. Da análise global das Fig. 3.20, Fig. 3.21 e Fig. 3.22 entende-se que este modelo é suficientemente representativo da realidade, utilizando-se o mesmo para o estudo paramétrico que se segue. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 020 40 60 80 100 Temperatura / °C Tempo / h Tmedido Tcalc (1) Tcalc (2) Tcalc (3) Text Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 60 3.2.4. ESTUDO PARAMÉTRICO 3.2.4.1. Considerações preliminares Tendo em consideração as possibilidades de reabilitação energética de coberturas inclinadas referidas no Capítulo 2, estudou-se o efeito de eventuais intervenções no modelo em causa. Considerando os elementos construtivos referidos na Tabela 3.2, construiu-se uma matriz com 17 soluções distintas, como se indica na Tabela 3.7. Tabela 3.7 - Soluções de reabilitação energética estudados Isolamento na cobertura Pintura das Telhas Clarabóias exteriores e interiores Envidraçados exteriores Caso de estudo Tipo de isolamento Posição do isolamento Sem isolamento - Não 1* 1* 1 2* 1* 2 Sim 1* 1* 3 2* 1* 4 Com isolamento (5 cm de XPS) Laje Não 1* 1* 5 2* 1* 6 Sim 1* 1* 7 2* 1* 8 Vertentes Não 1* 1* 9 2* 1* 10 Sim 1* 1* 11 2* 1* 12 Laje e Vertentes Não 1* 1* 13 2* 1* 14 Sim 1* 1* 15 2* 1* 16 Sem isolamento - Não 1* 2* 17 *Numeração dos envidraçados de acordo com a Tabela 3.3 Apenas se simulou a utilização de XPS, pois este foi o isolamento utilizado no caso em estudo. Por outro lado, o parâmetro condicionante é a resistência térmica, que pode ser obtida através de maiores ou menores espessuas com diferentes materiais. A utilização, em geral, de um tipo de isolamento em detrimento de outro prende-se com o preço, possibilidade de aparecimento de humidades, facilidade de execução, entre outros. As clarabóias indicadas na Tabela 3.7 são as referidas na Tabela 3.3 e dizem respeito às existentes inicialmente no edifício e após a intervenção na cobertura. Para o estudo relativamente à importância Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 61 da absorção e emissividade dos materiais de revestimento, simulou-se a situação em que as telhas cerâmicas não têm qualquer tipo de tratamento, sendo o seu coeficiente de absorção solar de 0,7 e o coeficiente de emissividade igual a 0,9. Por outro lado, as telhas com tratamento possuem um coeficiente de absorção igual a 0,4 e um coeficiente de emissividade igual a 0,35. Ao variar estes dois parâmetros pretendeu-se simular alguns tipos de revestimentos (referidos na subsecção 2.3.2. Revestimento). Os metais como o alumínio, o aço e o cobre apresentam valores muito baixos para o coeficiente de emissividade, inferiores a 10%, podendo este valor ser superior a 90% para as telhas de barro vermelhas (Mendonça, P., 2005). O coeficiente de absorção variará, entre outros, com a cor da superfície. De acordo com (Piedade, A.C.d., 1982), para pinturas brancas, o coeficiente de absorção solar é entre 0,12 a 0,18, enquanto que as pinturas pretas assumem o valor de 0,97. No que diz respeito às condições de ventilação, considerou-se que o desvão de cobertura não teria qualquer caudal de ventilação, por se aproximar mais da realidade. Quanto aos outros compartimentos do edifício, considerou-se uma taxa de infiltração de ar igual a 0,6 rph, por ser o valor de referência do RCCTE (XVII Governo Constitucional de Portugal, 2006). Considerou-se também um caudal adicional de ventilação de 3 rph das 20:00 às 09:00 horas na estação de arrefecimento e das 9:00 às 12:00 na estação de aquecimento. Para o caso em que as vertentes e a laje são isoladas simultaneamente, o caudal de infiltração no desvão é de 3 rph, pois como se viu na secção 2.3. Caracterização Construtiva, neste caso é sempre conveniente ventilar fortemente este espaço. Estas considerações estão sintetizadas na Tabela 3.8. Não se considerou que o edifício era aquecido ou arrefecido, de modo a que a variação de temperatura no interior não fosse condicionada. Tabela 3.8 - Condições de ventilação para o estudo paramétrico Compartimento Cenário Estação Caudal de ventilação devido à infiltração do ar (rph) Horário Caudal de ventilação devido à abertura de janelas (rph) Horário Cobertura 1-12 e 17 Inverno 0,0 00:0024:00 0 00:0024:00 Verão 0,0 0 13-16 Inverno 3,0 0 Verão 3,0 0 Quartos e piso 1 1-17 Inverno 0,6 3 09:0012:00 Verão 0,6 3 20:0009:00 Os compartimentos avaliados foram o desvão de cobertura e os três quartos já referidos: Sul, Sul com varanda e Norte. Distinguiu-se estas três situações devido à importância do efeito da radiação solar. O piso 1 foi analisado como um todo, de modo a avaliar o efeito da intervenção na cobertura em pisos inferiores. Não se estudou aprofundadamente o piso 0, por se ter verificado nas primeiras simulações, tal como era expectável, que as intervenções na cobertura não se fariam sentir aí. O ambiente exterior foi simulado recorrendo a dados históricos para as semanas típicas da estação de arrefecimento e de aquecimento, fornecidos pelo DesignBuilder, para o Porto. O objectivo da reabilitação térmica que se discute neste trabalho é o conforto dos ocupantes do edifício e a poupança energética. O conforto depende, segundo Fanger (Almeida, R. and Freitas, V.P.d., 2009), de seis factores principais: dois deles são individuais (actividade metabólica e Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 62 resistência térmica do vestuário) e quatro referem-se ao ambiente (temperatura do ar, temperatura média radiante, velocidade relativa do ar e pressão parcial do vapor). Algumas das variáveis são consideradas pelo programa, outras não. Por outro lado, a pressão parcial de vapor e a velocidade do ar modeladas no interior do edifício não serão iguais às verificadas na realidade, pois, como se viu anteriormente, as condições de ventilação modeladas, devido a limitações do programa, não são exactamente iguais às reais. Pelas razões anteriormente apresentadas, a variável relacionada com o conforto que se analisará é a temperatura do ar interior. Segundo Lamberts, esta é a variável condicionante para o conforto térmico, pois “a sensação de conforto baseia-se nas trocas de calor do organismo com o meio ambiente” (Almeida, R. and Freitas, V.P.d., 2009). 3.2.4.2. Estação de arrefecimento Na Fig. 3.23, está representada a evolução da temperatura do ar interior no desvão de cobertura para a semana típica da estação de arrefecimento no Porto, considerando os cenários 1-4 (soluções de reabilitação sem isolamento térmico). Observando a Fig. 3.23, reconhece-se que, tal como aconteceu na validação do modelo, o ambiente exterior condiciona fortemente o ambiente do desvão e que o modo de variação da temperatura ao longo do dia no desvão segue aproximadamente o modo de variação da temperatura no exterior. Verifica-se que na estação de arrefecimento, assim como seria também de esperar, a temperatura do desvão é sempre superior à temperatura exterior. Na situação inicial, a temperatura máxima horária calculada foi de 37 ºC e a mínima de cerca de 18 ºC. Das três soluções de reabilitação estudadas, entendeu-se que a mais vantajosa seria utilizar as clarabóias 2 (v. Tabela 3.3) (menor U e g) e utilizar as telhas de reduzida absorção e emissividade (cenário 4). Esta solução tem como consequência que as temperaturas máximas diárias baixem cerca de 4 ºC e a temperatura mínima se mantenha sensivelmente constante. Se se alterarem apenas as clarabóias e se utilizarem as telhas correntes (cenário 2), a temperatura mínima baixará cerca de 1 ºC e a máxima também, sendo portanto preferível baixar 4 ºC a máxima e manter a mínima, visto que no Verão o objectivo principal passa por baixar as temperaturas máximas. É razoável que a solução 4 se tenha revelado a mais vantajosa, visto que é aquela que minimiza as trocas de calor entre o compartimento e o exterior. Com os novos envidraçados, o efeito da temperatura e da radiação são minizados, atingindo-se menores temperaturas de dia, acontecendo o mesmo com as telhas tratadas. Devido à respectiva baixa absorção e emissividade, o efeito da radiação é minimizado, atingindo-se menores temperaturas no interior. O grande impacto das clarabóias pode ser verificado na Fig. 3.24 em que se demonstra, que com os novos envidraçados, os ganhos solares baixam para menos de metade (cerca de 6,0 kW para 2,5 kW). Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 63 Fig. 3.23 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) Fig. 3.24 - Ganhos solares na cobertura para os cenários 1 e 2 (Estação de arrefecimento) No que diz respeito ao efeito das intervenções na cobertura no piso 2, verificou-se que as três soluções de reabilitação energética propostas não têm um impacto significativo do ponto de vista da temperatura do ar interior. Na Fig. 3.25, apresentam-se os valores calculados para o quarto a Sul, tendo-se optado por não apresentar os valores para os outros compartimentos, dado que as diferenças verificadas foram similares. Relativamente aos valores verificados, obtem-se uma temperatura máxima diária de 26 ºC e mínima de cerca de 19 ºC para a situação inicial, sendo o perfil de variações 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T2 T3 T4 0 1 2 3 4 5 6 7 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Ganhos Solares / kW Tempo / h GS1 GS2 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 64 semelhante ao exterior. Com o cenário 4 as temperaturas anteriormente referidas baixam entre 0,5 ºC a 1 ºC, relativamente à situação inicial. Fig. 3.25 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) Na Fig. 3.26, verifica-se que as trocas de calor pelo tecto se alteram signitivamente para o quarto Sul. Inicialmente, os ganhos pelo tecto ultrapassavam os 0,25 kW, baixando com a alteração das telhas e das clarabóias para menos de 0,15 kW, ou seja, quase metade. De salientar que, na situação inicial, o quarto Sul tinha apenas ganhos de calor pelo tecto e na situação 4 passa a ter também perdas. Por outro lado, no quarto a Norte assim como no quarto a Sul com varanda, as perdas de calor pelo tecto são desprezáveis, baixando os ganhos, após a intervenção 4, para cerca de metade (v. Fig. 3.27). Fig. 3.26 - Trocas de calor pelo tecto no quarto Sul para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T2 T3 T4 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 050 100 150 200 Trocas de calor pelo tecto / kW Tempo / h Trocas tecto1 Trocas tecto 2 Trocas tecto 3 Trocas tecto 4 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 65 Fig. 3.27 - Trocas de calor pelo tecto no quarto Norte para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) Em relação ao efeito no piso 1, as Fig. 3.28 e Fig. 3.29 revelam que a temperatura do ar interior não se altera após as intervenções na cobertura, sendo as quatro curvas, relativas à temperatura do ar interior, coincidentes. Contrariamente ao que aconteceu nos compartimentos do piso 2, as trocas de calor pelo tecto (laje que separa o piso 1 do piso 2) mantêm-se sensivelmente constantes. Este resultado sustenta a tese de que as intervenções na cobertura se farão apenas sentir no piso imediatamente abaixo da mesma. Fig. 3.28 - Temperatura do ar interior no piso 1 para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 050 100 150 200 Trocas de calor pelo tecto/ kW Tempo / h Trocas tecto1 Trocas tecto 2 Trocas tecto 3 Trocas tecto 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T2 T3 T4 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 66 Fig. 3.29 - Trocas de calor pelo tecto no piso 1 para os cenários 1-4 (Estação de arrefecimento) Para o caso dos cenários 5-8 (v. Fig. 3.30) em que se estuda a influência do isolamento nas vertentes da cobertura, concluiu-se, tal como nos cenários 1-4, que a solução mais vantajosa para o desvão seria atingida com uma maior protecção do desvão de cobertura, ou seja, utilizando as clarabóias 2 e telhas com tratamento (curva a azul claro, cenário 8). Contudo, mantendo o isolamento constante, entende-se que neste caso a utilização das clarabóias 2 tem um maior impacto do que o tratamento das telhas, o que seria expectável, uma vez que se coloca o isolamento por baixo das telhas. Isolando térmicamente a cobertura e utilizando as clarabóias 1 e telhas sem tratamento (cenário 5), a temperatura máxima do gráfico é de cerca de 32 ºC e a mínima de cerca de 23 ºC. Com a solução óptima (cenário 8), a temperatura máxima desce cerca de 4 ºC, bem como a mínima que desce cerca de 2 ºC, comparando com o cenário 5. Nos compartimentos do piso 2, as temperaturas têm um perfil semelhante ao verificado para os cenários 1-4, ou seja, a utilização de isolamento nas vertentes não condiciona significativamente a temperatura do ar interior nos quartos. Fig. 3.30 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 5-8 (Estação de arrefecimento) -0,80 -0,60 -0,40 -0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 050 100 150 200 Trocas de calor pelo tecto / kW Tempo / h Trocas tecto1 Trocas tecto 2 Trocas tecto 3 Trocas tecto 4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T5 T6 T7 T8 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 67 Para os casos 9-12, em que se isola a laje da cobertura, mais uma vez a solução mais vantajosa passa por utilizar as clarabóias 2 e tratar as telha, atingindo-se no desvão de cobertura uma temperatura do ar interior máxima de cerca de 34 ºC e mínima de 19 ºC. O perfil de temperaturas nos quartos mantém-se sensivelmente constante. Se se optar por isolar tanto as vertentes como a laje de cobertura (cenários 13-16), sem alterar as clarabóias e sem tratamento nas telhas (cenário 13), a temperatura máxima no desvão é de cerca de 32 ºC e a mínima de cerca de 20 ºC (v. Fig. 3.31). Alterando as clarabóias e tratando as telhas (cenário 16), a temperatura máxima desce cerca de 2 ºC e a mínima cerca de 1 ºC, relativamente ao cenário 13. Fig. 3.31 - Temperatura do ar interior no desvão de cobertura para os cenários 13-16 (Estação de arrefecimento) Variando a espessura do isolamento térmico de 5 cm para 10 cm concluiu-se que, apesar de haver uma grande diferença no valor da resistência térmica dos elementos, o valor da temperatura do ar interior nos compartimentos do piso 2 se mantem sensivelmente constante. No caso de se isolar as vertentes térmicamente com 5 cm de XPS, obtem-se um coeficiente U para as vertentes de 0,534 W m-2 ºC-1 e com 10 cm XPS este valor desce para 0,299 Wm-2ºC-1. De acordo com (Chvatal, K.M.S., 2007) “no Verão, em certas condições, uma envolvente altamente isolada pode dificultar a dissipação do calor para o exterior, causando um aumento da temperatura interior acima do limite de conforto”, pelo que o nível de isolamento adequado depende de caso para caso, sendo necessário ter em consideração parâmetros como os ganhos internos, os ganhos solares e a ventilação. De modo a que a comparação entre as várias soluções seja mais facilitada, representou-se na Fig. 3.32 o perfil de temperaturas para o desvão de cobertura, considerando a situação inicial e a melhor opção, não isolando, isolando as vertentes, a laje e ambos. Da análise do gráfico conclui-se que a melhor solução passa por isolar a laje e as vertentes, alterando também as condições de ventilação (cenário 16). Relativamente à situação inicial a temperatura do ar máxima pode descer cerca de 8º C e a mínima baixa também cerca de 2º C. No caso de não se isolar térmicamente a cobertura, pode-se obter uma descida da temperatura no desvão, pois está-se a alterar as clarabóias e as condições de absorção e emissividade das telhas cerâmicas (cenário 4). A solução de isolar a laje tem uma curva semelhante à anterior, como seria de esperar. O ambiente que irá condicionar o desvão é o exterior e não o interior. Deste modo, os elementos a proteger serão os que separam o desvão do exterior e não do interior. Contudo, quando há 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T13 T14 T15 T16 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 74 diferencial de temperaturas no Verão é inicialmente muito elevado, cerca de 11 ºC (comparação da curva a azul e a vermelho, v. Fig. 3.41), e no Inverno muito reduzido, cerca de 2 ºC (comparação da curva a azul e a vermelho, v. Fig. 3.42). Estes resultados justificam que as intervenções em sistemas passivos só terão impacto no Inverno se o edifício for aquecido (o que não acontece nas simulações efectuadas), pois como não é fornecida energia ao edifício, a longo prazo, será estabelecido o equilíbrio entre o ambiente interior e exterior. Fig. 3.41 - Temperatura do ar interior no desvão e no quarto Sul para os cenários 1 e 16 (Estação de arrefecimento) Fig. 3.42 - Temperatura do ar interior no desvão e no quarto Sul para os cenários 1 e 8 (Estação de aquecimento) Para que a vertente da poupança energética fosse também avaliada para a situação da estação de aquecimento, simularam-se os cenários 1, 4, 8, 12, 16, de modo a que a temperatura do ar interior não fosse nunca inferior a 20 ºC em todos os espaços, à excepção da garagem e do desvão de cobertura. Os resultados destas simulações estão representados na Fig. 3.43 e na Tabela 3.10, podendo-se da sua análise concluir que os gastos para aquecimento são muito superiores aos gastos para arrefecimento (v. Fig. 3.36 e Tabela 3.9) e que, das soluções estudadas, todas são vantajosas à excepção do cenário 4. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo/ h T1, cob T1, qs T16, cob T16, qs 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 050 100 150 200 Temperatura / ºC Tempo / h T1, cob T1, qs T8, cob T8, qs Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 75 Enquanto que para a situação da estação de arrefecimento, as alterações na cobertura tinham um forte impacto no consumo de energia, na estação de aquecimento o mesmo não é verdade. Na estação de aquecimento, todas as situações apresentam consumos bastante semelhantes e a situação mais vantajosa do ponto de vista da poupança corresponde ao cenário 8, em que se isola térmicamente as vertentes da cobertura e se alteram as telhas e as clarabóias. Comparando o cenário inicial com o anteriormente referido (8) verifica-se uma poupança de energia anual de cerca de 5%. O cenário 4 implica um aumento do consumo energético, pois, com a alteração das telhas e das clarabóias, os ganhos solares na cobertura diminuem, baixando a temperatura interior e aumentando as necessidades de aquecimento. Fig. 3.43 - Energia necessária para aquecimento para os cenários 1, 4, 8, 12, 16 (Estação de aquecimento) Tabela 3.10 - Consumo energético para aquecimento do ar interior (kW h) Cenário Consumo energético para aquecimento (kW h) Redução percentual do consumo energético para aquecimento relativamente ao cenário 1 (-) 1 25112,76 0,00 4 25467,70 -0,01 8 23963,04 0,05 12 24143,09 0,04 16 24009,31 0,04 0 50 100 150 200 250 300 350 050 100 150 200 Energia para aquecimento / kW h Tempo / dias E1 E4 E8 E12 E16 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 76 3.2.4.2. Interpretação dos resultados Os resultados anteriormente apresentados obrigam a justificar o facto de a temperatura máxima diária no piso 2 não diminuir mais do que 2 ºC (estação de arrefecimento), sabendo que a mesma diminui cerca de quatro vezes mais no desvão de cobertura, tendo-se também verificado que as trocas de calor pelo tecto dos compartimentos do piso 2 sofrem grandes variações. Comparando o cenário 1 e 4, por exemplo, os ganhos no quarto Sul pelo tecto baixam para cerca de metade. Na Fig. 3.44, estão representados os ganhos e perdas de calor pelos principais elementos construtivos do quarto Sul para a situação inicial. A Fig. 3.44 permite compreender que a parcela mais significativa são os ganhos solares, o que é razoável, dada a orientação do compartimento e o grande factor solar dos envidraçados de 0,85 (v. Tabela 3.3). As trocas de calor pelos envidraçados são a parcela menos significantiva, sendo que os valores máximos no tempo coincidentes com os valores máximos relativos aos ganhos solares. Durante a noite, quando os ganhos solares são nulos, o compartimento perde calor pelos envidraçados, pois, como seria de esperar, a temperatura exterior é inferior à temperatura interior. A curva a vermelho representa as trocas de calor pelas paredes exteriores. Da análise desta curva compreende-se que a parede de 28 cm de granito provoca apenas perdas de calor no quarto a Sul. Para que a parede provocasse ganhos de calor no quarto Sul, a respectiva temperatura superficial teria de ser superior à temperatura interior do quarto, o que não acontece, dada a grande inércia térmica que possui. A parcela relativa às trocas de calor pelo tecto, indicam que, no quarto Sul, os ganhos de calor pelo tecto são, no máximo, de cerca de 0,25 kW e as perdas de cerca de 0,05 kW. Fig. 3.44 - Trocas de calor no quarto Sul para o cenário 1 (Estação de arrefecimento) A Fig. 3.45 permite compreender que no caso do quarto a Sul com varanda, o efeito dos envidraçados é desprezável, dado que estão quase sempre em sombra. Da análise desta figura entende-se que o tecto é uma fonte de ganhos de calor para o quarto. Comparando com a situação do quarto a Sul, justifica-se que no quarto a Sul com varanda haja apenas ganhos, pois como era expectável, o quarto com varanda atingirá temperaturas inferiores às do quarto a Sul, exposto à radiação solar. Tal como revelava a Fig. 3.44, as paredes exteriores provocam apenas perdas no quarto Sul. No caso do quarto a Sul com varanda, as perdas pelas paredes exteriores são maiores do que no quarto a Sul, pois a área de parede é muito maior, dado que se considerou a fachada Este como sendo adiabática e a fachada Oeste não. Por -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 050 100 150 200 Trocas de calor / kW Tempo / h Trocas tecto Trocas paredes Trocas envidraçados Ganhos solares Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 77 outro lado, os máximos e mínimos do tecto e das paredes não são coincidentes no tecto, havendo um desfazamento de algumas horas entre si. Fig. 3.45 - Trocas de calor no quarto Sul com varanda para o cenário 1 (Estação de arrefecimento) Como foi apontado na análise da Fig. 3.44 e Fig. 3.45, as trocas de calor pelas paredes exteriores de 28 cm de granito correspondem apenas a perdas para os quartos, dada a grande inércia térmica deste elemento. A inércia térmica é definida pela “capacidade de um elemento armazenar calor e só libertá-lo ao fim de certo tempo (...) pode[ndo] ser usada para absorver os ganhos de calor durante o dia (reduzindo a carga de arrefecimento) e libertá-los à noite (reduzindo a carga de aquecimento)” (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009). A inércia térmica depende principalmente de três factores: a massa, o calor específico e a condutibilidade térmica. A Fig. 3.46 apresenta uma sequência de perfis de temperatura para uma parede com grande inércia térmica, ao longo de um dia para um clima com uma amplitude térmica diária significativa. Da respectiva análise, entende-se que, no início do dia, devido à acção do aumento da temperatura do ar exterior e da radiação solar, a temperatura na parede, que se encontrava num valor inferior, aumenta. A onda de calor que atravessa a parede propagar-se-á do exterior para o interior, dependendo da massa das camadas, do calor específico e da respectiva condutibilidade térmica, ou seja, da inércia térmica. Numa parede com grande inércia térmica, as camadas vão subtraindo calor à onda que atravessa a parede, sendo o calor retido em cada camada apenas transmitido à camada seguinte, depois de elevar a temperatura na camada em questão. Assim se entende que haja um desfazamento no tempo no que diz respeito à transmissão de calor pelas paredes, quando comparada com a transmissão de calor pelos envidraçados, com uma massa muito menor. Na Fig. 3.46, reconhece-se também que, à noite, quando a temperatura superficial é superior à temperatura do ar exterior, o fluxo de calor toma o sentido inverso ao que tinha durante o dia, o que contribui para que sejam atingidas temperaturas menos elevadas no interior nos compartimentos. -0,30 -0,20 -0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 050 100 150 200 Trocas de calor / kW Tempo / h Trocas tecto Trocas paredes Trocas envidraçados Ganhos solares Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 78 Fig. 3.46 - Perfis de temperatura de uma parede pesada ao longo de um dia (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) Pelo que foi anteriormente referido, entende-se que a inércia térmica seja um meio passivo de aumentar o conforto no Verão, bem como de obter temperaturas mais estáveis no interior dos edifícios (v. Fig. 3.47). “Um edifício com inércia térmica forte, e para um clima temperado com amplitudes térmicas significativas, faz um melhor uso dos ganhos de calor do que um edifício de inércia térmica fraca; armazena o calor nas horas do dia em que ele é menos necessário (Inverno) ou indesejável (Verão) e liberta-o nas horas do dia em que ele é mais necessario (Inverno) ou menos prejudicial (Verão).” (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009). Fig. 3.47 - Efeito da inércia térmica na temperatura do ar interior (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 79 A inércia térmica tem não só vantagens do ponto de vista do conforto, mas também da poupança de energia. Quando um edifício começa a ser aquecido, a energia necessária para que seja atingida determinada temperatura do ar interior será maior para um edifício com grande inércia térmica do que para um edifício com baixa inércia térmica, pois as paredes irão ser uma grande fonte de perdas para o exterior. Contudo, uma vez atingida a temperatura pretendida, se o aquecimento for intermitente, as paredes irão conseguir armazenar calor, não descendo a temperatura do ar interior tanto, como no caso de haver paredes de baixa inércia térmica. Tendo-se verificado através da Fig. 3.44 que os vãos envidraçados têm um impacto significativo no equilíbrio térmico dos espaços, mas também porque o edifício em estudo foi alvo duma intervenção em que se alteraram os envidraçados das fachadas, simulou-se essa mesma alteração. Na Fig. 3.48 e Fig. 3.49 compara-se a temperatura do ar interior para o cenário 1 (situação inicial, sem intervenção na cobertura) com o cenário 17. O cenário 17 corresponde ao cenário 1, alterando-se os envidraçados 1 para os envidraçados 2 (v. Tabela 3.3). Da observação das figuras anteriormente referidas, conclui-se que após a alteração dos envidraçados a temperatura do ar interior máxima diária no quarto Sul e no piso 1 desce cerca de 2 ºC. No quarto a Sul com varanda e no quarto a Norte a temperatura desce cerca de 1 ºC, menos do que nos compartimentos anteriormente referidos, já que não estão tão expostos ao efeito da radiação solar. Como o quarto a Norte tem pouca exposição à radiação solar, e no quarto com varanda essa exposição é quase nula, o factor que determina a descida da temperatura é a redução do coeficiente U de 3,4 W m-2 ºC para 2,0 W m-2 ºC (v. Tabela 3.3). Fig. 3.48 - Temperatura do ar interior no quarto Sul para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T17 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 80 Fig. 3.49 - Temperatura do ar interior no piso 1 para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) Fig. 3.50 - Temperatura do ar interior no quarto Sul com varanda para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) Nas Fig. 3.51 e Fig. 3.52, estão representados os ganhos solares pelos envidraçados para os cenários 1 e 17. Nos dois casos, os ganhos solares antes e depois da alteração dos envidraçados reduzem para menos de metade, o que se justifica pela grande alteração do factor solar dos dois envidraçados de 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 050 100 150 200 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T17 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura / ºC Tempo / h Text T1 T17 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 81 0,85 para 0,42 (v. Tabela 3.3). Verifica-se uma maior descida da temperatura do ar interior no piso 1 do que no quarto Sul, pois a área envidraçada é maior no piso 1. Enquanto que, na situação inicial, o quarto Sul tem 0,7 kW de ganhos solares como valor máximo, no piso 1 este valor é de 3,2 kW (mais de 4 vezes superior). Fig. 3.51 - Ganhos solares para o quarto Sul para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) Fig. 3.52 - Ganhos solares para o piso 1 para os cenários 1 e 17 (Estação de arrefecimento) Em conclusão pode-se afirmar que a intervenção na cobertura se faz sentir de forma mais significativa no desvão, como seria de esperar. Por outro lado, tal como se admitiu inicialmente, as alterações na cobertura fazem-se sentir sobretudo no piso 2, mantendo-se as condições no piso 1 aproximadamente inalteradas. Os cenários de reabilitação térmica simulados foram vários, tendo-se revelado, para a situação de Verão, tal como seria de esperar, a situação mais confortável a correspondente ao cenário 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Ganhos solares / kW Tempo / h GS1 GS17 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Ganhos solares / kW Tempo / h GS1 GS17 Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 82 16. Do ponto de vista da poupança energética, comparando com a situação inicial, caso seja mantida uma temperatura do ar interior não superior a 25 ºC, o consumo energético baixa 60% com o cenário 16. Em relação à estação de aquecimento, entendeu-se que, em termos de conforto, a temperatura do ar interior nos compartimentos ocupados não iria variar para todos os cenários simulados e que, do ponto de vista da poupança de energia, caso o edifício fosse aquecido de forma permanente a 20 ºC, com o cenário 8, poderia obter-se uma poupanda de 5%, face ao cenário inicial. Da análise dos valores referentes aos ganhos e perdas pelos principais elementos construtivos, concluiu-se que, com as intervenções na cobertura, apesar da parcela relativa ao tecto do piso 2 sofrer alterações, pode não implicar uma alteração na temperatura do ar interior. A temperatura do ar interior dependeu, entre outros factores, das características da envolvente e, em certos casos, é possível identificar elementos construtivos com um papel mais significativo do que o tecto do piso 2, como os vãos envidraçados. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 83 4 ANÁLISE ECONÓMICA 4.1. METODOLOGIA DE CÁLCULO A reabilitação térmica tem como objectivo o aumento do conforto dos ocupantes dos edifícios, bem como a diminuição dos gastos com energia e a consequente poupança. Tendo-se já analisado o impacto das intervenções na cobertura no que respeita ao conforto e as necessidades energéticas ao longo do ano, o presente capitulo terá como objectivo avaliar as intervenções em termos financeiros, calculando-se, entre outros, o período de retorno do investimento. Para a análise em causa programou-se uma folha de cálculo, em que várias soluções foram comparadas e cuja concepção se apresentará de seguida. O custo global de determinada intervenção que tenha como objectivo a poupança energética será composto pelo custo inicial e pelo custo de exploração, tal como mostra a equação 11. (11) O custo inicial corresponde ao custo da obra, ou seja, ao somatório do custo de materiais, mão-de-obra e equipamentos, enquanto que o custo de exploração corresponde aos gastos com energia. O custo de exploração depende, assim, do custo da energia bem como das necessidades energéticas. Para a análise económica em questão, os consumos energéticos (kW h) foram obtidos através da simulação no DesignBuilder. Simularam-se vários cenários no DesignBuilder e somaram-se as necessidades energéticas ao longo de toda a estação de aquecimento, para o caso em que os compartimentos ocupados são aquecidos de forma permanente, de modo a que a temperatura do ar interior não seja inferior a 20 ºC. Multiplicando os consumos energéticos pelo preço unitário do kW h, obtém-se o custo de exploração. Visto que se pretende definir o período de retorno do investimento, esta é uma análise a longo prazo, que tem obrigatóriamente de ter em conta a evolução dos preços. Neste sentido, há que definir duas taxas: a taxa de variação do custo da energia e a taxa de capitalização. A taxa de variação do custo da energia deve ser aplicada pela fórmula dos juros compostos ao custo da energia, reportando os custos presentes para o futuro. Por outro lado, o custo inicial deve ser afectado da mesma forma pela taxa de capitalização. A taxa de capitalização deve também ser aplicada ao custo de exploração. As equações 12, 13 e 14 permitem efectuar o cálculo anteriormente referido. (12) Custo global Custo inicial Custo de exploração   0 Custo energia Custo energia 1 ' n n   Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 90 analisou-se apenas a utilização de isolante térmico. Alterando as telhas e as clarabóias de acordo com o cenário 16, o custo de materiais e mão-de-obra aumentaria, obtendo-se um período de retorno superior ao indicado no Capítulo 4, que poderia tornar o investimento inviável. Em relação à estação de aquecimento verificou-se que para as intervenções estudadas na estação de arrefecimento, a diferença de temperatura antes e depois das intervenções no desvão seriam de cerca de 2 ºC. Nos quartos e no piso 1, a temperatura do ar interior manteve-se constante. Do ponto de vista da poupança energética, a solução mais vantajosa (entre os cenários mais vantajosos na estação de arrefecimento) correspondeu a isolar as vertentes e a alterar as clarabóias, utilizando um revestimento com menor coeficiente de absorção da radiação solar e emissividade. Os correspondentes gastos com aquecimento durante toda a estação de aquecimento, de modo a que a temperatura do ar interior não fosse inferior a 20 ºC nos compartimentos ocupados, baixaram cerca de 5%. Concluiu-se que as intervenções na cobertura devem ter em conta o balanço térmico através de outros elementos construtivos, como as paredes e os envidraçados, pelo que se verificou que os envidraçados iniciais permitiam ganhos solares bastante significativos, principalmente no quarto a Sul e no piso 1, dada a correspondente orientação e alto factor solar dos envidraçados. As paredes exteriores, com grande inércia térmica, são uma fonte principalmente de perdas, estando os valores máximos desfazados dos valores máximos dos envidraçados, como seria de esperar. Entendeu-se que a caracterização construtiva do edifício fazia com que a intervenção na cobertura não tivesse um efeito maior do que aquele que se verificou. Por este motivo, modificou-se também os envidraçados, pelo que se verificou que a sua alteração teria um impacto mais significativo do que as intervenções na cobertura. Por outro lado, entendeu-se que o impacto das intervenções na cobertura, do ponto de vista do conforto, são maiores na estação de aquecimento do que na estação de arrefecimento, devido ao maior diferencial de temperaturas entre o desvão e os quartos nessa estação. No que diz respeito à análise económica, em que se estudou a utilização de vários isolantes térmicos, compreendeu-se que os vários tipos de materiais aconselhados para as coberturas inclinadas se encontram numa gama de preços bastante alargada. Estudaram-se cinco isolantes diferentes, de modo a obter sensivelmente a mesma resistência térmica. Verificou-se que, de facto, a resistência é o parâmetro de que mais depende a poupança energética, pelo que com a mesma resistência e vários materiais, os gastos com energia são semelhantes. Dos preços obtidos junto de fornecedores, o XPS revelou-se o material mais económico e o ICB o material mais caro, cerca de 5 vezes superior ao primeiro. Considerando a metodologia de cálculo utilizada, verificou-se, tal como seria de esperar, que quando mais cara fosse a energia, mais curto seria o período de retorno. Considerando que a fonte de energia é a electricidade com um custo de 12,1 cent/kW h, isolando as vertentes do caso de estudo, o período de retorno seria de 7 anos. No caso do ICB, isolando as vertentes ou a laje e utilizando gás natural ou electricidade, o período de retorno foi sempre superior a 35 anos, o que inviabiliza o investimento. 5.2. DIFICULDADES As maiores dificuldades sentidas ao longo do presente trabalho estão sobretudo relacionadas com a simulação numérica. Apesar de o DesignBuilder ser considerado um programa bastante amigável e de fácil manuseamento, tratando-se de um programa deste genéro utilizado pela primeira vez, tem uma curva de aprendizagem bastante lenta. Por outro lado, foi difícil lidar com algumas limitações do programa e considerar algumas simplificações. Neste sentido, a modelação dos envidraçados foi um dos parâmetros mais problemáticos, pois considerou-se que nenhum dos dispositivos de oclusão disponiveis no programa corresponderiam aos que existem na realidade. Por outro lado, o programa Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 91 permite apenas identificar um dispositivo e na realidade existem dois em todas as janelas. A ventilação foi também um aspecto bastante crítico, uma vez que se sabia, à partida, que esta iria com certeza influenciar fortemente o comportamento térmico do edifício e não se dispunha de valores característicos relativos aos caudais de ventilação no edifício. Desta forma, considerou-se um caudal constante ao longo de todo o dia, que aumentaria em algumas horas do dia, consoante a estação do ano. Esta pode ter sido uma grande aproximação problemática, dado que o caudal de ventilação não é na realidade constante, dependendo dos diferenciais de temperatura e da velocidade do ar. Por outro lado, a abertura de portas e janelas é um fenómeno aleatório que depende do utilizador. A dificuldade de interpretação e crítica dos resultados obtidos foi sentida, sendo contudo já expectável. 5.3. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Após a realização deste trabalho, conclui-se que o tema da reabilitação, tendo em vista a eficiência energética, é um tema que merece, certamente, estudos mais aprofundados, focando outros aspectos. Será importante que o tema da reabilitação energética de coberturas seja estudado com outros programas de cálculo que contornem os problemas identificados no presente trabalho, e que se estudem também parâmetros que não foram tão aprofundados neste trabalho como as condições de ventilação ou as condições de ocupação, que não foram variáveis do estudo paramétrico e que, de acordo com (Rodrigues, A.M. [et al.], 2009) e (Chvatal, K.M.S., 2007) têm forte influência no desempenho térmico dos edifícios. Por outro lado, dada a grande importância da reabilitação e da eficiência energética, será com certeza útil desenvolver trabalhos nesta área para outros elementos construtivos. Avaliação da reabilitação térmica de coberturas com desvão 1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - Lã de rocha. 2014a. Disponível em WWW: <http://www.laderocha.net/precoladerocha.php>. - Preço roofmate. 2014b. Disponível em WWW: <http://roofmate.materiaisdeconstrucao.org/precoroofmate.php>. A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, Lda. - Unidade de vidro duplo Para aplicação em edifícios e trabalhos de construção PLANISTAR 6 (Ar 14) 6 mm. Disponível em WWW: <http://www.vidrofornense.pt/pdf/planistar%20206-14-6.pdf>. A Vidrofornense - Comércio e Indústria de Vidros e Espelhos, Lda. - Unidade de vidro duplo Para aplicação em edifícios e trabalhos de construção PLANISTAR 6 (Ar 16) 4 mm. Disponível em WWW: <http://www.vidrofornense.pt/pdf/planistar%20206-16-4.pdf>. 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