Energy performance study of a school building using BIM
Abstract
O elevado consumo de energia e o consequente impacto ambiental têm tido uma atenção cada vez mais preocupante. Aliando a isto o crescimento exponencial da população assim como a urbanização do planeta, torna-se extremamente necessário projetar os espaços ocupados por estes edifícios de forma adequada, uma vez que possuem uma grande parcela energética, no que diz respeito ao consumo de energia bem como nas emissões de gases efeitos de estufa. Pretende-se alcançar a utilização sustentável dos diversos tipos de energia, mas também a racionalização energética. Ao estabelecer o desempenho energético de um edifício como um ponto central quando nos focamos no desenvolvimento sustentável, estamos a proteger e a melhorar o nosso planeta. Neste âmbito, surgiram uma grande quantidade de ferramentas que realizam a análise do comportamento térmico dos edificios. O REVIT proporciona avanços significativos do processo produtivo, pois o projeto é criado a partir de um único modelo tridimensional de base, composto por um banco de dados que contém as informações referentes à edificação. Este programa permite a parametrização dos objetos, sendo que as ferramentas BIM representam uma evolução na representação virtual de edificações. Este estudo foca-se no desempenho energético de um edifício escolar, a escola EB1 de Pendão, tendo como objetivo comparar os resultados da simulação dinâmica usando duas ferramentas distintas, o REVIT e o DesignBuilder. É apresentada uma abordagem detalhada de todo o trabalho realizado em ambas as plataformas de modo a determinar as exigências energéticas da mesma. Estabelece-se assim uma comparação entre dois software distintos, através da análise dos resultados obtidos entre os dois programas, de modo a verificar a fiabilidade dos resultados obtidos com os simuladores energéticos e na rapidez de análise.[1] Por último, propõe-se diversas de medidas de melhoria recorrendo ao REVIT, expondo-se o impacto global no edifício na integração das respetivas medidas, em relação ao investimento necessário, poupança anual e período de amortização. Apresentam-se ainda sugestões de trabalhos futuros de maneira a dar continuidade ao projeto desenvolvido.
Full text
Fevereiro de 2025 Rafael Peixoto Gomes Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM
Fevereiro de 2025 Rafael Peixoto Gomes Energy Performance Study of a School Building using BIM Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em Tecnologias Energéticas e Ambientais Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Doutor Pedro Alexandre Moreira Lobarinhas
i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do Repositório da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
ii AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho só foi possível devido à disponibilidade de várias pessoas/entidades. Gostaria, antes de mais, expressar a minha gratidão para com a MMEC e STEG, por todo o apoio prestado, desde ferramentas e recursos bastantes úteis para a aprendizagem, evolução e realização deste projeto. Estou muito grato por ter tido a oportunidade de realizar o meu projeto num espaço tão enriquecedor, com a colaboração máxima de todos os meus colegas, onde ainda existiu um bom apoio financeiro para suportar as despesas que iam surgindo. Um agradecimento também ao Professor Doutor Pedro Lobarinhas por me ter dado a conhecer esta área do curso que me despertou bastante interesse e pela sua paciência, sabedoria e incentivo, fundamentais também nesta jornada e ainda a toda a comunidade da Universidade do Minho, da qual me orgulho de fazer parte e onde sempre fui bem recebido e tratado. Gostaria de deixar ainda um agradecimento ao Senhor Giuseppe Ardito, especialista da Autodesk, pela sua paciência e ajuda no esclarecimento de todas as dúvidas mais específicas sobre o software REVIT. Por último, à minha família e amigos, os pilares da minha vida, e a todas as pessoas que de uma forma mais direta ou indireta contribuíram para que esta dissertação fosse realizada com sucesso.
iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. STATEMENT OF INTEGRITY I declare that I have acted with integrity in the preparation of this academic work and I confirm that I have not resorted to the practice of plagiarism or any form of misuse or falsification of information or results in any of the stages leading to its preparation. I further declare that I know and have respected the Code of Ethical Conduct of the University of Minho.
iv RESUMO O elevado consumo de energia e o consequente impacto ambiental têm tido uma atenção cada vez mais preocupante. Aliando a isto o crescimento exponencial da população assim como a urbanização do planeta, torna-se extremamente necessário projetar os espaços ocupados por estes edifícios de forma adequada, uma vez que possuem uma grande parcela energética, no que diz respeito ao consumo de energia bem como nas emissões de gases efeitos de estufa. Pretende-se alcançar a utilização sustentável dos diversos tipos de energia, mas também a racionalização energética. Ao estabelecer o desempenho energético de um edifício como um ponto central quando nos focamos no desenvolvimento sustentável, estamos a proteger e a melhorar o nosso planeta. Neste âmbito, surgiram uma grande quantidade de ferramentas que realizam a análise do comportamento térmico dos edificios. O REVIT proporciona avanços significativos do processo produtivo, pois o projeto é criado a partir de um único modelo tridimensional de base, composto por um banco de dados que contém as informações referentes à edificação. Este programa permite a parametrização dos objetos, sendo que as ferramentas BIM representam uma evolução na representação virtual de edificações. Este estudo foca-se no desempenho energético de um edifício escolar, a escola EB1 de Pendão, tendo como objetivo comparar os resultados da simulação dinâmica usando duas ferramentas distintas, o REVIT e o DesignBuilder. É apresentada uma abordagem detalhada de todo o trabalho realizado em ambas as plataformas de modo a determinar as exigências energéticas da mesma. Estabelece-se assim uma comparação entre dois software distintos, através da análise dos resultados obtidos entre os dois programas, de modo a verificar a fiabilidade dos resultados obtidos com os simuladores energéticos e na rapidez de análise.[1] Por último, propõe-se diversas de medidas de melhoria recorrendo ao REVIT, expondose o impacto global no edifício na integração das respetivas medidas, em relação ao investimento necessário, poupança anual e período de amortização. Apresentam-se ainda sugestões de trabalhos futuros de maneira a dar continuidade ao projeto desenvolvido. PALAVRAS-CHAVE ENERGIA; COMPORTAMENTO TÉRMICO; SIMULAÇÃO DINÂMICA; EXIGÊNCIAS ENERGÉTICAS; MEDIDAS DE MELHORIA
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM v ABSTRACT The high energy consumption and its consequent environmental impact have been receiving increasing attention. Coupled with the exponential population growth and the urbanization of the planet, it becomes extremely necessary to properly design the spaces occupied by buildings, as they account for a significant portion of energy consumption and greenhouse gas emissions. The goal is to achieve the sustainable use of different types of energy while also promoting energy rationalization. By establishing the energy performance of a building as a central focus in sustainable development, we are working to protect and improve our planet. In this context, a wide range of tools for analyzing the thermal behavior of buildings has emerged. REVIT offers significant advancements in the productive process, as the project is developed using a single three-dimensional base model, composed of a database containing information about the building. This software allows for object parameterization, making BIM tools a major evolution in the virtual representation of buildings. This study focuses on the energy performance of a school building, the EB1 de Pendão school, with the objective of comparing simulation results using two different tools: REVIT and DesignBuilder. A detailed approach is presented for all the work carried out in both platforms to determine the building’s energy requirements. A comparison is made between the two software programs by analyzing the results obtained in both, in order to assess the reliability of the energy simulation results and the speed of analysis. Finally, several improvement measures are proposed using REVIT, outlining the overall impact on the building when integrating these measures, in terms of required investment, annual savings, and payback period. Additionally, suggestions for future work are presented to ensure the continuity of this project. KEYWORDS ENERGY ; THERMAL PERFORMANCE; DYNAMIC SIMULATION; ENERGY DEMANDS; IMPROVEMENT MEASURES
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM vi
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM vii INDICE Conteúdo Agradecimentos ......................................................................................................................... ii Resumo ...................................................................................................................................... iv Abstract ...................................................................................................................................... v indice ......................................................................................................................................... vii Índice de Figuras ......................................................................................................................... xi Índice de Tabelas ...................................................................................................................... xix Lista de Símbolos ...................................................................................................................... xxi 1. Introdução ........................................................................................................................... 1 1.1. Objetivos .................................................................................................................... 2 1.2. Apresentação da Empresa.......................................................................................... 2 1.3. Guia de Leitura ........................................................................................................... 3 2. Política energética ............................................................................................................... 5 2.1. União Europeia ........................................................................................................... 5 2.2. Panorama Português ................................................................................................ 10 2.2.1. Evolução Legislativa em Portugal ........................................................................... 15 2.2.2. Requisitos definidos na Legislação......................................................................... 18 3. Ferramentas de Simulação Dinâmica ................................................................................ 27 3.1. Ferramentas BIM ...................................................................................................... 27 3.1.1. Autodesk REVIT ................................................................................................ 29 3.1.2. Cálculo do Projeto de Arrefecimento e Aquecimento no REVIT ..................... 30 3.2. DesignBuilder ........................................................................................................... 32 3.2.1. Cálculo do Projeto de Arrefecimento no DesignBuilder .................................. 34 3.2.2. Cálculo do Projeto de Aquecimento no DesignBuilder .................................... 37
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xiv Figura 65– Print screen da folha de cálculo SCE.CLIMA que permite obter os dados climáticos para o local do edifício em estudo. ......................................................................... 91 Figura 66 – Print screen da representação da geometria do modelo do edifício previsto no DesignBuilder. ..................................................................................................................... 91 Figura 67 - Print screen da definição do Anexo como espaço não útil no DesignBuilder. .................................................................................................................................................. 92 Figura 68 - Print screen da constituição da parede exterior PE1 no DesignBuilder. ...... 92 Figura 69 – Print screen das propriedades globais da parede exterior PE1 no DesignBuilder............................................................................................................................ 93 Figura 70 – Print screen da constituição da cobertura exterior COBEXT1 no DesignBuilder............................................................................................................................ 94 Figura 71 - Print screen do separador de calculo e respetivo valor do 𝑈 determinado pelo programa no DesignBuilder. ..................................................................................................... 94 Figura 72 - Print screen da definição do vão envidraçado VE4 na janela de edição Glazing Type no DesignBuilder. ............................................................................................................. 95 Figura 73 – Print screen da ferramenta Model Data Grid View no DesignBuilder. ........ 96 Figura 74 – Print screen das opções ativadas no separador Activity ao nível do edifício no DesignBuilder............................................................................................................................ 96 Figura 75 - Print screen das opções ativadas no separador HVAC ao nível do edifício no DesignBuilder............................................................................................................................ 97 Figura 76 - Print screen das opções ativadas no separador Lighting ao nível do edifício no DesignBuilder. ..................................................................................................................... 97 Figura 77 - Print screen da criação do perfil de ocupação da cozinha no modelo do edifício no DesignBuilder. ..................................................................................................................... 98 Figura 78 – Tipos de luminárias consideradas no DesignBuilder [65]. ........................... 98 Figura 79 – Print screen da definição do tipo de luminária presente no separador Lighting para a zona da cozinha no DesignBuilder. ............................................................................... 99 Figura 80 - Print screen dos perfis de equipamentos definidos para a zona da cozinha no DesignBuilder............................................................................................................................ 99 Figura 81 – Print screen da Zone Group da zona servida pelo sistema definido no DesignBuilder onde é possível ver a inclusão de todos os espaços nesta zona única. .......... 100
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xv Figura 82 – Print screen das caraterísticas de um radiador elétrico presente numa sala de aula no DesignBuilder. ....................................................................................................... 100 Figura 83 – Print screen do perfil horário criado relativamente ao aquecimento no DesignBuilder.......................................................................................................................... 101 Figura 84 – Resultados obtidos no Heating Design no software DesignBuilder. ......... 102 Figura 85 – Resultados obtidos relativamente às cargas de arrefecimento para a escola em estudo no DesignBuilder. ................................................................................................. 103 Figura 86 – Print screen dos consumos energéticos do edifício obtidos no DesignBuilder. ................................................................................................................................................ 104 Figura 87 – Resultados obtidos relativamente aos consumos de energia nos dois software.................................................................................................................................. 106 Figura 88 – Comparação dos resultados obtidos através da simulação dinâmica com os consumos reais de energia. .................................................................................................... 108 Figura 89 – Print screen do consumo de energia anual para a escola em estudo após MM1 no Insight. ..................................................................................................................... 114 Figura 90 – Print screen do consumo de energia anual para a escola em estudo após MM2 no Insight. ..................................................................................................................... 115 Figura 91 – Print screen do aviso emitido pelo REVIT quando se usa a opção user selection. ................................................................................................................................. 116 Figura 92 – Print screen das definições detalhadas para o cálculo da produção da energia fotovoltaica no REVIT. ............................................................................................................ 117 Figura 93 – Print screen dos tipos de painéis fotovoltaicos disponibilizados pelo REVIT. ................................................................................................................................................ 117 Figura 94 – Print screen dos resultados obtidos através do estudo solar realizado no REVIT....................................................................................................................................... 118 Figura 95 - Print screen da definição do painel fotovoltaico escolhido no SCE.ER. ...... 119 Figura 96 - Print screen dos resultados obtidos relativamente ao painel escolhido no SCE.ER. .................................................................................................................................... 119 Figura 97 – Print screen do fator de conversão personalizado relativo para a biomassa no Insight. ............................................................................................................................... 121 Figura 98 – Print screen do fator personalizado criado relativo à eficiência da caldeira no Insight. .................................................................................................................................... 121
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xvi Figura 99 – Print screen do fator de conversão relativamente à biomassa para as necessidades de AQS no Insight. ............................................................................................ 122 Figura 100 – Print screen do resultado obtido relativamente ao consumo de energia ao aplicar esta medida no Insight. .............................................................................................. 122 Figura 101 - Print screen do resultado obtido relativamente ao consumo de energia ao aplicar as diversas medidas em conjunto no Insight. ............................................................ 124 Figura 102 - Print screen do perfil horário de ocupação para as salas de aula e salas de apoio no REVIT. ...................................................................................................................... 131 Figura 103 – Print screen do perfil horário de ocupação para o polivalente no REVIT.132 Figura 104 - Print screen do perfil horário para a zona das fotocópias no REVIT. ....... 132 Figura 105 – Print screen do perfil horário de ocupação para a secretaria no REVIT. . 132 Figura 106 – Print screen do perfil horário de ocupação para a sala dos professores no REVIT....................................................................................................................................... 133 Figura 107 – Print screen do perfil horário de ocupação para a cozinha no REVIT. ..... 133 Figura 108– Print screen do perfil horário de ocupação para os corredores/halls no REVIT....................................................................................................................................... 133 Figura 109 - Print screen do perfil horário de ocupação para os arrumos, excluindo os arrumos na zona da cozinha no REVIT. .................................................................................. 134 Figura 110 - Print screen do perfil horário de ocupação para as instalações sanitárias excluindo a situada na zona da cozinha no REVIT. ................................................................ 134 Figura 111– Print screen do perfil horário de ocupação para as instalações sanitárias da cozinha, bem como a sua despensa e arrumos no REVIT. ..................................................... 135 Figura 112 – Print screen do perfil horário de iluminação para as salas de aula e de apoio no REVIT. ................................................................................................................................ 135 Figura 113 – Print screen do perfil horário de iluminação para o polivalente no REVIT. ................................................................................................................................................ 136 Figura 114 - Print screen do perfil horário de iluminação para a secretaria no REVIT. 136 Figura 115 – Print screen do perfil horário de iluminação para a zona das fotocopias no REVIT....................................................................................................................................... 137 Figura 116 – Print screen do perfil horário de iluminação para a sala dos professores no REVIT....................................................................................................................................... 137 Figura 117 – Print screen do perfil horário de iluminação para a cozinha no REVIT. .. 138
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xvii Figura 118 – Print screen do perfil horário de iluminação para corredores/halls no REVIT. ................................................................................................................................................ 138 Figura 119 - Print screen do perfil horário de iluminação para as instalações sanitárias excluindo a da cozinha no REVIT. ........................................................................................... 139 Figura 120 - Print screen do perfil horário de iluminação para as zonas dos arrumos no REVIT....................................................................................................................................... 139 Figura 121 – Print screen do perfil horário de iluminação para as instalações sanitárias, arrumos e despensa da cozinha no REVIT. ............................................................................ 140 Figura 122 – Print screen do perfil de equipamentos para as salas de aula e apoio no REVIT....................................................................................................................................... 140 Figura 123 - Print screen do perfil de equipamentos para a sala dos computadores no REVIT....................................................................................................................................... 141 Figura 124 – Print screen do perfil de equipamentos para a sala dos professores no REVIT. ................................................................................................................................................ 141 Figura 125 – Print screen do perfil de equipamentos para a secretaria no REVIT. ...... 142 Figura 126 – Print screen do perfil de equipamentos para a zona das fotocopias no REVIT. ................................................................................................................................................ 142
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xviii
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xix ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 — Coeficientes de transmissão térmica superficiais máximos dos elementos da envolvente opaca dos edifícios de comércio e serviços, 𝑈𝑚á𝑥 [W/ (𝑚2 .°C)] [27]. ............... 20 Tabela 2 — Cores para marcação da envolvente [28]. ................................................... 21 Tabela 3 — Valores dos coeficientes de transmissão térmica superficiais máximos dos elementos da envolvente envidraçada, 𝑈𝑤, 𝑚á𝑥[W/ (𝑚2 .°C)] [29]. .................................... 22 Tabela 4 – Tabela dos Espaços presentes no piso 0 no bloco da escola em análise. ..... 42 Tabela 5 – Tabela dos Espaços presentes no piso 1 no bloco da escola em análise. ..... 44 Tabela 6 – Valores de referência e declives para ajustes em altitude para a estação de aquecimento [28]. .................................................................................................................... 47 Tabela 7 - Zona climática de inverno, em função do número de graus-dias do parâmetro climático [50]. ........................................................................................................................... 47 Tabela 8Valores de referência e declives para ajustes em altitude para a estação de arrefecimento [50]. .................................................................................................................. 48 Tabela 9 - Critérios para a determinação da zona climática de verão [50]. ................... 48 Tabela 10 - Coeficientes de transmissão térmica por defeito para paredes [28]. ......... 50 Tabela 11 - Valores obtidos para paredes exteriores. .................................................... 51 Tabela 12 - Valores obtidos para parede interior. .......................................................... 51 Tabela 13 - Coeficientes de transmissão térmica por defeito para pavimentos e coberturas [28]. ........................................................................................................................ 53 Tabela 14 – Valores obtidos por defeito para cobertura exterior de acordo com o regulamento. ............................................................................................................................ 54 Tabela 15 – Caracterização construtiva da laje de cobertura exterior COBE1. .............. 54 Tabela 16 – Caracterização construtiva das lajes de cobertura exterior COBE2 e COBE4. .................................................................................................................................................. 55 Tabela 17 – Caracterização construtiva da laje de cobertura exterior COBE3. .............. 55 Tabela 18 - Valores obtidos por defeito para os diferentes pavimentos de acordo com regulamento. ............................................................................................................................ 56 Tabela 19 - Caracterização construtiva da laje do pavimento de compartimentação PavComp. .................................................................................................................................. 56 Tabela 20 - Caracterização construtiva da laje do pavimento térreo PavTer. ............... 56
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xx Tabela 21 - Fator solar do vão envidraçado com vidro corrente e dispositivo de proteção solar [28]. .................................................................................................................................. 57 Tabela 22 - Tipos de vãos envidraçados presentes no edifício. ..................................... 58 Tabela 23 – Fator de correção da seletividade angular dos envidraçados na estação de arrefecimento. .......................................................................................................................... 62 Tabela 24 - Determinação do 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜 para a respetiva orientação dos diversos tipos de vãos envidraçados. .............................................................................................................. 62 Tabela 25 – Tipos de luminárias presentes na iluminação interior do edifício. ............. 65 Tabela 26 – Potência e densidade de iluminação presentes nas diferentes zonas. ...... 66 Tabela 27 - Potência total instalada por tipo de lâmpada no exterior [49]. .................. 68 Tabela 28 - Potências dos equipamentos presentes nos diferentes espaços ................ 82 Tabela 29 - Principais transferências de calor que ocorrem no edifício em estudo no DesignBuilder.......................................................................................................................... 103 Tabela 30 – Comparação dos resultados obtidos em ambos os software. .................. 106 Tabela 31 - Tipos de luminárias que se propõe instalar no interior do edifício. .......... 109 Tabela 32 - Potência e densidade de iluminação presentes nas diferentes zonas após substituição das luminárias. ................................................................................................... 112 Tabela 33 – Comparação dos resultados das medidas de melhoria estudadas. .......... 125
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xxi LISTA DE SÍMBOLOS Siglas, abreviaturas e acrónimos ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado BIM Building Information Model CEE Comunidade Econômica Europeia CEEA Comunidade Europeia da Energia Atómica CEF Consumo de Energia Final CEP Consumo de Energia Primária CFD Computational Fluid Dynamic CIBSE Chartered Institution of Building Services Engineers csv Comma Separated Value DEE Desempenho Energético dos Edifícios DPI Densidade de potência de iluminação EC Embodied Carbon EPBD Energy Performance of Buildings Directive epw EnergyPlus Weather EUI Energy Use Intensity EURATOM European Atomic Energy Community FER Fontes de Energia Renováveis FT Fluorescentes tubulares gbXML Green Building XML GES Grandes edifícios de comércio e serviços IR Infrared Radiation IT Informações Técnicas JAI Justiça e Assuntos Internos NREL National Renewable Energy Lab NUTS Nomenclatura das Unidades Territoriais para fins Estatísticos NZEB Nearly Zero Energy Building OC Operational Carbon
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xxii PCM Phase Change Materials PESC Política Externa e de Segurança Comum PNEC Plano Nacional Energia Clima PM Plano de Manutenção PQ Perito Qualificado RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RECS Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços REH Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação RQSECE Regulamento da Qualidade dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios SCE Sistema de Certificação Energética dos Edifícios TCMA Taxa de Crescimento Média Anual TUE Tratado da União Europeia ou Tratado de Maastricht UE União Europeia VE Virtual Environment VM Vapor de mercúrio XML Extensible Markup Language
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM xxiii Nomenclatura 𝐴𝑖 Somatório das áreas dos elementos de todas as [𝑚2 ] frações de habitação e comércio e serviços que separam os respetivos espaços interiores úteis do espaço interior não útil 𝐴𝑒𝑛𝑣 Somatório das áreas dos vãos envidraçados do edifício [𝑚2 ] ou fração em estudo, por orientação 𝐴𝑒𝑣𝑒 Área da envolvente vertical exterior do edifício ou [𝑚2 ] da fração em estudo, por orientação 𝐴𝑢 Somatório das áreas dos elementos que separam o espaço [𝑚2 ] interior não útil do ambiente exterior 𝐴𝑝 Área interior útil de pavimento [𝑚2] 𝛼 Declive que relaciona a diferença de altitudes [mês/km] ou [°C/km] 𝐸𝑚,𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜 Iluminância do projeto lx 𝐸𝑚 Iluminância média requerida no espaço lx 𝑓 Espaço interior não útil que tem todas as ligações - entre elementos bem vedadas, sem aberturas de ventilação permanentemente abertas 𝐹 Espaço interior não útil permeável ao ar devido à presença - de ligações e aberturas de ventilação permanentemente abertas. 𝐹0 Fator de sombreamento por elementos horizontais - sobrejacentes ao envidraçado, compreendendo palas e varandas (estação de arrefecimento); 𝐹 𝑓 Fator de sombreamento por elementos verticais adjacentes ao - envidraçado, compreendendo pelas verticais, outros corpos ou partes do edifício (estação de arrefecimento). 𝐹0 Fator de controlo por ocupação - 𝐹𝐷 Fator de controlo por disponibilidade de luz natural - 𝐹 𝑤,𝑣 Fator de correção da seletividade angular de inverno - 𝐺𝐷 Número de graus-dias na estação de aquecimento [°C] 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜 Fator solar a considerar no software de cálculo - 𝐺𝑠𝑜𝑙 Energia solar média incidente numa superfície horizontal (0º) [kWh/𝑚2]
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 4 programas, de maneira a tirar-se conclusões relativamente aos mesmos, mas também em relação aos consumos reais da escola em questão. No Capítulo 6 são apresentadas diversas medidas de melhoria com recurso ao REVIT, sobre as quais se realiza uma análise e se avalia qual o impacto destas no que diz respeito às exigências energéticas da escola em estudo ao longo da presente dissertação. Por último, no capítulo 7, são apresentadas as conclusões relativas ao estudo efetuado bem como sugeridas propostas para trabalhos futuros.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 5 2. POLÍTICA ENERGÉTICA 2.1. UNIÃO EUROPEIA A política energética da União Europeia (UE) revela-se um tema multifacetado e crucial que assenta nos princípios da descarbonização, da competitividade, da segurança, do aprovisionamento e da sustentabilidade tentando alcançar a segurança energética, sustentabilidade ambiental e a integração econômica dos Estados-Membros. Pretende-se assegurar o funcionamento do mercado da energia e um fornecimento energético seguro na UE, promovendo a eficiência energética e a poupança de energia, o desenvolvimento das energias renováveis e a interligação energética.[4] A energia representa 80% do total das emissões de gases com efeito de estufa na União Europeia e é uma das causas das alterações climáticas e de grande parte da poluição atmosférica. A UE pretende encontrar soluções que reduzam as emissões de gases com efeito de estufa, na comunidade europeia e em todo o mundo a um nível que limite o aumento da temperatura do planeta. [5] Baseia-se em determinadas diretrizes e regulamentos para alcançar uma União da Energia plena e rege-se segundo cinco objetivos principais: • Segurança Energética, diversificando as fontes de energia da Europa através da solidariedade e entreajuda entre os países; • Mercado Único de Energia, promovendo a concorrência e a garantia de preços justos no mercado, contribuindo para o livre fluxo de energia na EU, permitindo assim um mercado unificado para todos; • Reduzir a dependência das importações de energia bem como das respetivas emissões; • Transição Energética, em conformidade com o Acordo de Paris. Traçou-se o ambicioso objetivo de até 2050 o continente europeu se tornar neutro em carbono e aumentar a utilização das energias renováveis para contribuir para a diminuição da dependência energética; • Incentivar a investigação relativamente às tecnologias energéticas limpas com o objetivo de impulsionar a transição energética e melhorar a competitividade.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 6 No entanto, surgem grandes desafios, uma vez que a União Europeia continua bastante dependente dos combustíveis fosseis, principalmente do gás natural e do petróleo. As constantes alterações climáticas que o planeta está a sofrer exigem medidas coordenadas e ousadas, requerendo investimento por parte dos Estados-Membros, em infraestruturas sustentáveis bem como em tecnologias limpas, no entanto, depende também da capacidade financeira de cada estado. Na figura seguinte ilustra-se os pilares e objetivos do Pacto Ecológico Europeu. Figura 1 – Pacto Ecológico Europeu [6]. Desde 1951, quando se deu a criação da Comunidade Europeia do Carvão e do Aço até aos dias de hoje, a UE têm revelado uma estratégia de persistência e ambição constantes. Em 2019, no mês de novembro foi declarado estado de emergência ambiental e climática no continente europeu até que, em 2020, foram propostas várias alterações ao regulamento em vigor, com o objetivo de atingir a neutralidade carbónica, através de uma redução em 60% das emissões de gases efeitos de estufa até 2030 e até 2035 abandonar o recurso aos combustíveis fosseis [6]. Após a resposta à pandemia, foram reforçadas estratégias ecológicas e digitais até que em 2022, com a invasão militar russa à Ucrânia, foi proibido a importação de petróleo, carvão e combustível nuclear da Rússia, o que provocou um aumento dos preços da energia na Europa. Realçou-se a necessidade e importância das interligações de gás e eletricidade na
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 7 Europa bem como a diversificação dos terminais de gás natural liquefeito, de modo a facilitar o transporte e armazenamento do mesmo e a construção de gasodutos. O papel da investigação na garantia de um aprovisionamento energético sustentável, promovendo a busca por inovações através de financiamentos públicos e privados complementares, ganhou importância nesta fase. Na figura 2, representam-se as diversas iniciativas ecológicas adotadas no âmbito da União Europeia: Figura 2– Iniciativas ecológicas tomadas no âmbito da UE [7]. ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO SOBRE DESEMPENHO ENERGÉTICO DOS EDIFÍCIOS UE O setor dos edifícios é responsável pelo consumo de aproximadamente 40% da energia final na Europa. [8] A política energética da União Europeia remonta aos Tratados de Roma em 1957, onde se deu a criação da CEE (Comunidade Económica Europeia) e ainda a CEEA ou EURATOM (Comunidade Europeia da Energia Atómica). Deu-se início à formação da integração económica bem como da colaboração na produção e consumo de energia. Em 1992, surge o TUE (Tratado da União Europeia ou Tratado de Maastricht) onde foi reconhecida e dada a importância da proteção ambiental bem como da segurança energética, assentando em 3 pilares: as Comunidades Europeias e duas áreas de cooperação
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 8 adicionais, a PESC (Política Externa e de Segurança Comum) e a JAI (Justiça e Assuntos Internos). [9] Em 1993 é publicada a Diretiva do Conselho 93/76/CEE que passa a limitar as emissões de dióxido de carbono, com o objetivo de melhorar a eficiência energética, sendo o seu seguimento facultativo por parte dos Estados-Membros, no entanto, também continha várias ambiguidades, principalmente em relação à forma de fornecer informações sobre a eficiência energética, dando origem a uma fraca adesão por parte destes [10]. Em 16 de dezembro de 2002 surge a Diretiva n.º 2002/91/CE, a primeira versão da EPBD, exigindo, pela primeira vez, que todos os Estados-Membros deveriam implementar um sistema de certificação energética para os edifícios, para que seja obtida a licença de utilização em edifícios novos, em reabilitações de edifícios existentes ou na locação ou venda de edifícios de habitação e de serviços existentes, estabelecendo o início da promoção da eficiência energética para os edifícios [11]. Através dos certificados energéticos dos edifícios introduzidos na sequência da aplicação da EPBD nos Estados-Membros, oferece-se uma maneira fácil de comparação e avaliação do desempenho energético do edifício em estudo, onde são fornecidos os dados relativamente à classe energética e são incluídas potenciais medidas de melhoria, que sejam economicamente viáveis. De realçar ainda que nos edifícios novos e reabilitações de edifícios existentes com mais de 1000 𝑚2 passam a impor-se requisitos térmicos mínimos. [12] Em 2009 surgiu também a Diretiva 2009/28/CE sobre as energias renováveis, uma vez que as utilizações crescentes de energia proveniente de fontes renováveis, a par da poupança de energia e do aumento da eficiência energética, constituem partes importantes do pacote de medidas necessárias para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e cumprir o Protocolo de Quioto [13]. A Diretiva 2009/72/CE aborda o mercado interno de eletricidade, de modo a assegurar ganhos de eficiência, preços competitivos e padrões de serviço mais elevados, contribuindo assim para a segurança do fornecimento e a sustentabilidade. [14] A 19 de maio de 2010, foi aprovado pelo Parlamento Europeu e Conselho a Diretiva 2010/31/UE é a primeira revisão da EPBD , que diz respeito ao desempenho energético dos edifícios, reforçando a Diretiva 2002/91/CE relativamente à redução da dependência energética e do consumo de energia, principalmente devido ao incremento do recurso às energias renováveis e por consequência a redução das emissões dos gases com efeito de estufa. Foram definidas novas metas com o objetivo de se fazer cumprir, por parte da União
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 9 Europeia, o Protocolo de Quioto da Convenção-Quatro das Nações Unidas sobre as Alterações Climáticas, de manter abaixo dos 2 °C a subida de temperatura global, projetando uma redução até 2020 em pelo menos 20% das emissões de gases com efeito de estufa, mas também uma queda de 20% do consumo de energia face a 1990 e ainda da utilização de uma quota de 20% de energia proveniente de fontes renováveis no consumo de energia total. [15] Em 2018, surge a Diretiva 2018/844, a segunda revisão da EPBD, que pretende promover a descarbonização do parque imobiliário, com o objetivo de se atingir a independência energética na União Europeia, estabelecendo-se novas metas comunitárias a curto, médio e a longo prazo, prevendo-se uma redução em pelo menos 40% na emissão dos gases com efeito de estufa até 2030 e entre 80 e 95% até 2050, em comparação, com 1990.[16] Pretende-se ainda com esta diretiva garantir melhores níveis de conforto aos ocupantes, sem se desleixar no desempenho dos edifícios em resposta a incêndios e sismos e procurando integrar sistemas relativamente à mobilidade do futuro. Mais recentemente, surge uma nova atualização da EPBD em 2024, exigindo a renovação dos edifícios menos eficientes, uma descarbonização total até 2050 e o maior uso das energias renováveis. O regime de inspeção prévio de sistemas de aquecimento e ar condicionado é aumentado para incluir os sistemas combinados com ventilação e tendo em conta o desempenho dos sistemas em condições de funcionamento normais. Existe ainda um incentivo ao uso de sistemas de controlo e automatização em edifícios e à implementação de infraestruturas para o carregamento de veículos elétricos em locais de estacionamentos, exigindo a instalação de infraestrutura de dutos e pontos de carregamento [17]. Na figura 3 apresenta-se a evolução estimada relativamente às necessidades energéticas dos edifícios, através da implementação das diversas medidas anteriormente abordadas.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 10 Figura 3– Estimativa da evolução das necessidades energéticas dos edifícios [18]. 2.2. PANORAMA PORTUGUÊS Uma parte significativa da energia que se consome tem origem nos combustíveis fósseis, como o petróleo, gás natural e o carvão. Os países industrializados, como é o caso de Portugal, apresentam elevada dependência energética de combustíveis fósseis, para o seu normal funcionamento. Sendo Portugal um país com escassos recursos energéticos, existe a necessidade de uma dependência energética do exterior, o que reforça ainda mais o papel das FER (Fontes de Energia Renováveis). Nesse âmbito, Portugal revela-se um país privilegiado relativamente à exposição solar, à costa marítima, rios, entre outras. Apesar dos avanços, em Portugal a principal fonte de energia primária continua a ser o petróleo (42,0%) devido à elevada dependência de importações de combustíveis fósseis para o transporte e aquecimento. A transição para uma economia mais verde requer investimentos significativos em infraestrutura, tecnologias de armazenamento de energia e a modernização da rede elétrica como fontes de energia. Seguem-se as energias renováveis (30,8%) e o gás natural (22,6%) [19]. Na figura 4 apresenta-se a evolução do consumo total de energia primária por fonte em Portugal.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 11 Figura 4–Evolução do consumo total de energia primária em Portugal [19]. Nos últimos 20 anos a representatividade do petróleo e derivados no Consumo de Energia Primária (CEP) decresceu cerca de 32,6%, enquanto a das renováveis e a do gás natural mais do que duplicou, no mesmo período. Assim o futuro do panorama energético em Portugal parece promissor, com uma continuação do investimento em energias renováveis e na eficiência energética, bem como, a inovação tecnológica, como a utilização de hidrogénio verde e a captura de carbono terão também um papel significativo na redução das emissões.[19] Na figura seguinte visualiza-se a evolução ocorrida entre 2002 e 2022 relativamente ao consumo total de energia primária em Portugal. Figura 5–Consumo Total de Energia Primária, em 2002 e 2022 em Portugal [19].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 12 Em 2022, o setor dos transportes manteve-se o principal consumidor de energia (35,4%), seguido da indústria (29,3%), sendo o setor dos serviços responsável por 32,4%. Nos últimos 20 anos, a indústria foi o setor que mais reduziu o seu peso no consumo energético, enquanto o setor dos serviços foi o que mais aumentou, sendo as Taxas de Crescimento Médio Anual (TCMA) mais significativas na indústria (-1,4%) e dos transportes (-0,8%). Desde 2014 que se contabiliza o contributo renovável no aquecimento por bombas de calor, representando 23% do Consumo de Energia Final (CEF) no setor dos serviços e 10% no doméstico.[19] A figura 6 demonstra a evolução do consumo de energia por setor de atividade em Portugal. Figura 6–Evolução do consumo de energia final por setor de atividade em Portugal[19]. Um dos principais objetivos da política energética nacional é a diminuição da dependência energética relativamente aos outros países, sendo definida no PNEC (Plano Nacional Energia Clima) uma redução meta da dependência para 65%, como meta a atingir até 2030.[19] Apesar de em Portugal não ser produzida energia fóssil, o peso do contributo das fontes de energia fósseis de proveniência externa no consumo total de energia primária tem manifestado uma tendência de redução, situando-se em 2022, no que diz respeito à dependência energética, num valor de 71,2%. A produção doméstica de energia a partir de fontes renováveis registou uma redução de 1,5% face ao ano anterior. Desde 2019, que não
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 13 se regista a importação de carvão de origem fóssil para a produção de eletricidade, o que contribuí positivamente para a redução da dependência energética. Esta redução deveu-se também ao impacto da pandemia COVID-19, uma vez que o consumidor final desta energia ficou bastante condicionado. Comparando a dependência energética entre os países da UE, verificou-se que em 2021 Portugal foi o 12º país com a maior dependência energética. [19] Na figura seguinte apresenta-se a evolução da dependência energética em Portugal entre 2002 e 2022: Figura 7–Evolução da dependência energética de Portugal [19]. Relativamente aos consumos no setor dos serviços, onde se posiciona a escola em estudo na dissertação, no período 2012 a 2022, excluindo as bombas de calor, a contribuição dos produtos de petróleo, para o consumo no setor dos serviços, variou entre 7% e 9%, enquanto o gás natural entre 12% e 14%. A eletricidade contribuiu entre 73% e 75%, tendo aumentado relativamente a 2021 o consumo de produtos de petróleo e eletricidade em 26,0% e 8,1% respetivamente, enquanto o gás natural reduziu 1,2%. De 2014 para 2022, o contributo renovável das bombas de calor no consumo energético do setor dos serviços passou de 16,0% para 22,9%. [19] Assim na figura 8 apresenta-se a evolução do peso das diferentes fontes:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 20 • Tipo A - Espaços com ocupação permanente (ocupação igual ou superior a 2h/dia) ou espaços que possuam sistemas de aquecimento e/ou arrefecimento para conforto térmico direta ou indiretamente devido ao ar que transita entre os espaços; • Tipo B - Sem ocupação permanente e sem sistemas de aquecimento e/ou arrefecimento. Importante referir a obrigatoriedade de recolha desta informação em edifícios novos, intervencionados ou edifícios ao abrigo do Decreto-Lei 79/2006, por parte do PQ. [26] Para ser realizada uma correta avaliação energética do edifício é necessária uma análise detalhada da infraestrutura do mesmo bem como da sua operacionalidade, devendo ser necessário uma correta caracterização da orientação da envolvente assim como uma correta medição do pé direito. 2.2.2.2 Requisitos da Envolvente Opaca A Portaria 138-I regulamenta os requisitos mínimos de desempenho energético relativos à envolvente dos edifícios e aos sistemas técnicos e a respetiva aplicação em função do tipo de utilização e específicas características técnicas.[27] A envolvente opaca é formada pelas paredes, coberturas, pavimentos e pontes térmicas, sendo estabelecido na tabela 1 os coeficientes de transmissão térmica superficiais máximos dos elementos da envolvente opaca exterior e interior dos edifícios de comércio e serviços, 𝑈𝑚á𝑥 [W/ (𝑚2 .°C)] Tabela 1 — Coeficientes de transmissão térmica superficiais máximos dos elementos da envolvente opaca dos edifícios de comércio e serviços, 𝑈𝑚á𝑥 [W/ (𝑚2 .°C)] [27]. De realçar que para os edifícios de comércio e serviços, quando se verifica que o somatório de energia útil para aquecimento e arrefecimento ambiente é inferior ao obtido considerando o cumprimento dos requisitos acima referidos, ficam isentos do seu cumprimento [27]. É necessário estabelecer condições de fronteira entre os espaços interiores úteis e não úteis para se quantificar as trocas térmicas existentes entre os espaços com o objetivo de se
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 21 proceder a uma correta análise do DEE, como tal, é necessário o recurso à tabela 15 do Manual SCE, onde são definidas as respetivas condições [28]. O 𝑏𝑧𝑡𝑢 representa o coeficiente de redução, definido pela Norma EN ISO 13789 com o objetivo de se quantificar as trocas térmicas de um elemento com condição fronteira interior e obtém-se através da seguinte relação: 𝑏𝑧𝑡𝑢 =𝜃𝑖𝑛𝑡−𝜃𝑒𝑛𝑢 𝜃𝑖𝑛𝑡−𝜃𝑒𝑥𝑡 (Equação 1) Sendo que: 𝜃𝑖𝑛𝑡 – Temperatura interior [°C]; 𝜃𝑒𝑥𝑡 –Temperatura ambiente exterior [°C]; 𝜃𝑒𝑛𝑢 – Temperatura do espaço interior não útil [°C]. No entanto, caso não seja possível conhecer o valor da temperatura do espaço interior não útil, deve-se consultar a tabela 16 apresentada no Manual SCE [28]. Importante referir que em espaços fortemente ventilados 𝑏𝑧𝑡𝑢 deverá ser 1 e para os edifícios adjacentes deve ser considerado um 𝑏𝑧𝑡𝑢 igual a 0,6 [28]. Foram atribuídas diferentes cores para a marcação da envolvente com o objetivo de diferenciar o tipo de envolventes, como é representado na tabela 2. Tabela 2 — Cores para marcação da envolvente [28]. A marcação nas peças desenhadas deve ser realizada pela superfície interior dos elementos, correspondendo às paredes uma linha contínua e aos pavimentos e coberturas devem ser aplicadas as tramas descritas na figura abaixo, de acordo com o Manual SCE. Figura 11 – Marcação de pavimentos e coberturas, respetivamente [28].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 22 Sendo ainda categorizados os tipos de espaços que compõem o edifício no que diz respeito aos edifícios de comércios e serviços, como é apresentado na tabela 13 do Manual SCE [28]. 2.2.2.3 Requisitos da Envolvente Envidraçada No levantamento das características da envolvente envidraçada, é importante determinar:[34] • 𝑈𝑤 - Coeficiente de transmissão térmica, ou coeficiente de transmissão térmica médio dia-noite do vão e depende do tipo de caixilharia, do tipo de vão e de vidro, da espessura de lamina de ar, entre outros; • (𝑔⊥,𝑣𝑖) - Fator solar do vidro; • Dispositivos de proteção solar (móveis e permanentes); • Elementos de sombreamento (palas, edifícios, etc.). Na tabela 3, são apresentados os valores máximos admissíveis do coeficiente de transmissão térmica (𝑈𝑤,𝑚á𝑥) da envolvente envidraçada exterior, para edifícios de comércio e serviços. Tabela 3 — Valores dos coeficientes de transmissão térmica superficiais máximos dos elementos da envolvente envidraçada, 𝑈𝑤,𝑚á𝑥[W/ (𝑚2 .°C)] [29]. Para além dos requisitos que são impostos aos coeficientes de transmissão térmica dos vãos envidraçados, estes também possuem requisitos no que diz respeito ao fator solar, sendo que para o quadrante norte os vãos são isentos dos cumprimentos dos requisitos definidos para esta questão, como se pode visualizar na figura seguinte.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 23 Figura 12 — Orientações com requisitos ao nível do fator solar dos vãos envidraçados [29]. Um vão envidraçado diz-se regulamentar quando é verificada a seguinte condição: 𝑔𝑡𝑜𝑡. 𝐹0. 𝐹 𝑓≤ 𝑔𝑡𝑜𝑡𝑚á𝑥 (Equação 2) Sendo que: 𝑔𝑡𝑜𝑡 – Fator solar global do vão envidraçado com todos os dispositivos de proteção solar, permanentes ou móveis totalmente ativados; 𝐹0 – Fator de sombreamento por elementos horizontais sobrejacentes ao envidraçado, compreendendo palas e varandas (estação de arrefecimento); 𝐹 𝑓– Fator de sombreamento por elementos verticais adjacentes ao envidraçado, compreendendo pelas verticais, outros corpos ou partes do edifício (estação de arrefecimento). De acordo com a tabela 6 da Portaria 138-I, foram definidos fatores solares máximos admissíveis relativamente aos vãos envidraçados [27]. É de extrema importância realçar, que no caso dos grandes edifícios de serviços, a equação 2, em cima exposta, irá ser substituída por outra equação, se a área dos vãos envidraçados orientados verticais for superior a 30% da fachada onde estão presentes e se assim se verificar, sendo que para a contabilização das áreas de envidraçado e da envolvente, não são consideradas as afetas a espaços do Tipo B [29]. 𝑔𝑡𝑜𝑡. 𝐹0. 𝐹 𝑓≤ 𝑔𝑡𝑜𝑡𝑚á𝑥.0,30 𝐴𝑒𝑛𝑣 𝐴𝑒𝑣𝑒 (Equação 3) Tendo em conta que: 𝐴𝑒𝑛𝑣 - Soma das áreas dos vãos envidraçados do edifício ou fração em estudo, por orientação [𝑚2];
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 24 𝐴𝑒𝑣𝑒– Área da envolvente vertical exterior do edifício ou da fração em estudo, por orientação [𝑚2]. Nota: Para contabilização das áreas de envidraçado e da envolvente, não são consideradas as afetas a espaços do Tipo B. 2.2.2.4 Sistemas de Iluminação Os sistemas de iluminação nos edifícios de comércio e serviços regem-se segundo determinados requisitos para os parâmetros de iluminação, da densidade de potência e requisitos de controlo, de regulação de fluxo e de monitorização e gestão, de acordo com as normas europeias EN 12464-1 e EN 15193 [29]. A eficiência nominal dos equipamentos de iluminação não pode ser de valor inferior ao que legalmente está estabelecido na Diretiva 2009/125/CE, relativamente à conceção ecológica dos produtos relacionados com o consumo de energia. Os edifícios vêm-se obrigados a cumprir requisitos ao nível da densidade de potência de iluminação (DPI), uma vez que em cada espaço, por 100 lux, 𝐷𝑃𝐼100 𝑙𝑢𝑥, neste tipo de edifícios, não pode ser superior os valores máximos de potência 𝐷𝑃𝐼100 𝑙𝑢𝑥, 𝑚á𝑥, valores estes que se encontram como os valores máximos apresentados segundo a tabela 25 da Portaria 138-I [27]. Para se determinar o valor de DPI, deve-se considerar: 𝐷𝑃𝐼 = (𝑃𝑛.𝐹𝑂.𝐹𝐷)+𝑃𝑐 𝐴 [𝑊/𝑚2] (Equação 4) Assim como, 𝐷𝑃𝐼 100𝑙𝑢𝑥 = 𝐷𝑃𝐼 𝐸𝑚.100 [(𝑊/𝑚2)/100𝑙𝑢𝑥] (Equação 5) Considerando que: DPI – Densidade de potência de iluminação; 𝐸𝑚Iluminância média requerida no espaço, obtida através do Anexo IV – Valores de iluminância [lx] do Manual SCE [38]; 𝑃𝑛 – Potência total dos sistemas de luminárias instaladas, 𝑃𝑛 = ∑ 𝑃𝑖 [W]; 𝐹𝐷 – Fator de controlo por disponibilidade de luz natural; 𝑃 𝑐 – Potência total dos equipamentos de controlo para as luminárias em funcionamento [W];
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 25 𝐹0Fator de controlo por ocupação; 𝑃𝑖–Potência do sistema lâmpadas + balastro [W]. E ainda a tabela 119 do Anexo IV do Manual SCE, onde são apresentados os valores de iluminância média requerida em cada espaço [30].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 26
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 27 3. FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO DINÂMICA O desenvolvimento desta dissertação teve como apoio fundamental as funcionalidades de dois software, o REVIT e o DesignBuilder. Como já referido anteriormente, e sendo o REVIT, uma ferramenta BIM, é neste programa que se realiza a modelação do edifício em estudo, e são integrados os dados sobre todo o modelo construtivo. Posto isto, o projeto segue dois caminhos distintos: Num lado dá-se a importação de um ficheiro gbXML proveniente do REVIT para o DesignBuilder, software especializado em simulação dinâmica e análise de desempenho dos edifícios, enquanto o outro caminho é a realização da simulação energética no próprio REVIT, que também possui essas capacidades. 3.1. FERRAMENTAS BIM O BIM, ou como é reconhecido, o Building Information Modelling provém da necessidade de se controlar o tempo, custos e desperdícios que um projeto envolve devido à enorme quantidade de informação existente. Assim o BIM surge como uma ferramenta que permite uma comunicação muito mais fluída entre as diversas equipas presentes no projeto. É considerado uma ferramenta valiosa para a seleção ideal de materiais, de sistemas e de alternativas de projeto, não apenas no que diz respeito à melhoria do desempenho de uma estrutura ou à eficiência energética de um sistema, mas também em termos de redução da sua pegada de carbono durante o seu ciclo de vida [31]. Assim, esta metodologia advém da necessidade de se melhorar o sistema de construção tradicional, introduzindo duas novas fases de extrema importância no processo. Os principais problemas dos referidos processos de construção tradicionais são a fragmentação do processo, que torna difícil a comunicação entre as várias unidades podendo originar alterações não comunicadas e a dificuldade de localização de determinados elementos construtivos, bem como, inconsistência entre documentos, falta de rigor no desenho, mas também devido à frequência com que os projetos sofrem alterações em obra e a dificuldade no acesso a documentos durante a gestão do edifício [32]. A transição do papel para os sistemas CAD permitiu uma evolução nos processos, tornando-se um elemento obrigatório na instrução de projetos de construção [32]. No BIM, o modelo digital é atualizado de acordo com o modelo real, tal como é ilustrado na figura 13.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 28 Figura 13–Comparação entre Metodologias tradicional e BIM [24]. O BIM fornece benefícios tecnológicos para o processo de projetos e construção, bem como uma plataforma de ambiente de dados comum inovadora para melhorar a colaboração, produtividade e sustentabilidade ao longo do ciclo de vida de um empreendimento [33]. O modelo BIM apresenta cinco fases: [32] • Levantamento e cadastro - através da nuvem de pontos, sendo que o topógrafo gera um modelo 3D, 100% fiável, transportando o local de intervenção consigo, num único ficheiro. • Projeto - é nesta fase que se observa as melhorias na Comunicação, Colaboração e Coordenação do projeto (os 3 C´s do BIM). A análise do desempenho do edifício, com documentação atualizada, gestão das alterações do projeto e permitindo ainda a contabilização de todos os elementos utilizados. • Construção - realiza-se o planeamento da obra e das respetivas sequências da construção, recursos e materiais assim como a colaboração entre as diversas áreas, em tempo real, que resulta numa melhoria na qualidade da construção e como tal maior segurança; • Manutenção e Utilização - através de um modelo digital preciso e atualizado, permite a monotorização e agendamentos para manutenções tendo acesso às informações relativas à sua manutenção, permitindo uma melhor gestão dos custos, podendo ainda ser integrado com outros sistemas de gestão; • Demolição - apesar de não se dar muitas vezes, um edifício requer diversos cuidados para que tudo ocorra normalmente como: o cumprimento de todas as normas de segurança durante a demolição, o destino a dar aos materiais demolidos e as preocupações ecológicas.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 29 Concluindo, o BIM não é um conceito de curto prazo, mas sim a base fundamental da digitalização da indústria da construção e tem sido usado para auxiliar na gestão de dados em todo o ciclo de vida de um edifício [34]. 3.1.1. AUTODESK REVIT O Autodesk REVIT é um software de coordenação de projetos e o Virtual Environment (VE) uma ferramenta de desempenho de construção completa. Ao criar-se um modelo analítico, há apenas um baixo nível de detalhe que é realmente necessário graficamente, já que a maioria das informações nesses modelos são dados que formam o modelo essencial, sendo que os dados geométricos/gráficos necessários podem ser encapsulados simplesmente como paredes, pisos, tetos e telhados, existindo três tipos de aberturas possíveis, anexados a estes: janelas, portas e buracos [35]. A melhor prática ao criar um modelo BIM para exportação via gbXML, é desenvolver a geometria do modelo seguindo uma ordem específica [35]: 1. Projetar a parede externa do limite do invólucro; 2. Adicionar os níveis de piso/vazios de teto/telhados; 3. Adicionar as áreas principais; 4. Adicionar todas as outras partições internas; 5. Incorporar todas as aberturas conforme necessário; Existem dois tipos de arquivos de troca que podem ser utilizados para transferir dados entre o REVIT e o VE: o gbXML e o Industry Foundation Classes, IFC. Na presente dissertação, foi usado o esquema XML do Green Building, conhecido como gbXML, desenvolvido especificamente para facilitar a transferência de informações, desde modelos de informação de construção, até ferramentas de análise de desempenho e fornecer um modelo mais preciso, organizando as informações hierarquicamente, como está ilustrado na figura seguinte [35]:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 36 Apresentam-se resultados detalhados sobre o projeto de arrefecimento, sendo que é importante referir considerações assumidas pelo programa: [47] • Temperaturas do ar - temperatura média calculada do ar; • Temperatura radiante - média ponderada (área * emissividade) das temperaturas da superfície interna da zona; • Temperatura operacional - a média das temperaturas médias do ar interno e radiante • Envidraçado - o fluxo total de calor para a zona a partir do envidraçamento, estrutura e divisória do envidraçamento externo, excluindo a radiação solar de onda curta transmitida; • Paredes - ganho de calor devido à condução através de todas as paredes externas, incluindo o efeito da radiação solar e radiação de onda longa para o céu; • Coberturas - ganho de calor devido à condução através de todos os telhados externos, incluindo o efeito da radiação solar e radiação de onda longa para o céu; • Pavimentos - ganho de condução de calor através de pavimentos, considerando os pavimentos interiores, exteriores e ainda os térreos; • Divisórias interiores - ganho de condução de calor devido à condução de calor através de todas as divisórias internas de zonas adjacentes em diferentes temperaturas, sendo também considerados os ganhos través de portas e aberturas; • Infiltração externa - ganho de calor através de infiltração de ar (entrada de ar não intencional através de rachaduras e furos na estrutura do edifício); • Ventilação - ganho de calor devido à entrada de ar externo por ventilação natural e mecânica ou devido à troca de ar por aberturas internas como furos, portas, entre outros; • Iluminação - ganho de calor devido à iluminação geral bem como a de tarefas; • Equipamentosganhos de calor devido a equipamentos diversos ou a processos industriais ou de fabrico, bem como os ganhos devido a equipamentos a gás mas também devido aos computadores e equipamentos relacionados através das informações técnicas (IT), • Ocupação - ganho sensível devido aos ocupantes, podendo variar dependendo das condições internas. Com temperaturas muito altas, o ganho sensível pode cair para
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 37 zero com todos os efeitos de arrefecimento a ocorrer através da transferência de calor latente; • Arrefecimento sensível à zona, é o efeito de arrefecimento sensível na zona de qualquer ar introduzido na zona por meio do sistema AVAC. O arrefecimento vai sempre aparecer como um ganho de calor negativo nos resultados;[47] • O fluxo de ar é obtido através Ventilação mecânica + Ventilação natural + Infiltração. 3.2.2. CÁLCULO DO PROJETO DE AQUECIMENTO NO DESIGNBUILDER As simulações para o dimensionamento do sistema de aquecimento usando o EnergyPlus têm as seguintes características: [48] • Temperaturas exterior constante, definida como temperatura exterior do projeto de inverno; • Velocidade e direção definidas para valores de projeto; • Sem ganho solar; • Sem ganhos internos, tais como, iluminação, ocupação, equipamentos, entre outros, de modo a garantir-se a determinação da potência máxima; • Zonas são aquecidas constantemente para atingir o ponto de ajuste da temperatura de aquecimento usando um sistema de aquecimento convectivo simples; • Considera-se a condução de calor e convecção entre zonas de diferentes temperaturas. A simulação realiza-se até que as temperaturas/fluxos de calor em cada zona tenham convergido. Se a convergência não ocorrer, a simulação continua pelo número máximo de dias, conforme especificado nas opções de cálculo, sendo que, são calculadas as capacidades de aquecimento necessárias para manter os pontos de ajuste de temperatura em cada zona e exibe a perda total de calor dividida como: [48] • Vidros, • Paredes; • Divisórias; • Coberturas; • Pavimentos; • Infiltração externa;
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 38 • Ventilação natural interna, ou seja, calor perdido para outros espaços adjacentes mais frios através de janelas, aberturas, portas, furos, entre outros. De realçar que a perda total de calor em cada zona é multiplicada por um fator de segurança (1,5 por defeito) para fornecer uma capacidade de projeto de aquecimento recomendada.[48]
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 39 4. EDIFÍCIO DO CASO DE ESTUDO 4.1. CARATERIZAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DO EDIFÍCIO É fundamental realizar uma certa caraterização do edifício com o objetivo de se compreender corretamente o desempenho energético do mesmo, apresentando uma visão abrangente da sua estrutura, da envolvente, dos sistemas de iluminação e dos restantes equipamentos que consomem energia. A Escola Básica do 1º Ciclo do Pendão situa-se na freguesia de Queluz, Concelho de Sintra, no Largo Alto Moinhos, 2745-017 Queluz e é propriedade do Parque escolar do Município de Sintra. Está inserida num bairro urbano a nordeste da cidade de Queluz. A escola pertence ao Agrupamento de Escolas Queluz-Belas, que comporta mais sete escolas do 1º Ciclo, um jardim de infância e várias escolas do ensino básico e secundário. Na figura 17 apresentam-se duas vistas diferentes do edifício em questão. Figura 17 - Vistas do edifício. Este edifício situa-se a 180 metros de altitude em relação ao nível do mar e têm como coordenadas geográficas de 38.453829° e -9.151724° para a latitude e longitude, respetivamente. Na figura 18 apresenta-se uma imagem satélite da escola em estudo neste projeto.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 40 Figura 18Imagem satélite da escola básica do Pendão. No entanto, na dissertação presente não se irá analisar o edifício por completo, mas apenas uma parte do edifício, neste caso, a escola primária, como está identificado na figura seguinte. Figura 19 - Identificação do bloco da escola básica do Pendão. O bloco que será alvo de analise é composto por dois pisos. O piso 0 é constituído por quatro salas de aulas, duas salas de apoio, secretaria, sala de professores, polivalente, quatro instalações sanitárias e quatro arrumos como se pode observar na figura 20. No piso 1 por três salas de aula, duas salas de apoio, duas instalações sanitárias e dois arrumos, ilustrado na figura 21. O edifício apresenta um acesso principal pelo alçado lateral orientado a Este,
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 41 encontrando-se na zona Norte a sala de professores, cozinha, secretaria e instalações sanitárias e a Sul a zona das salas de aula e de salas de apoio. A escola serve 160 alunos, que se distribuem do 1º ao 4º ano de escolaridade. Os seus recursos humanos são constituídos por 8 professores e 6 assistentes operacionais. Relativamente às plantas dos respetivos pisos que constituem o bloco da escola em estudo, apresenta-se assim as plantas respetivas dos mesmos nas figuras 20 e 21: Figura 20 – Planta piso térreo do edifício em estudo. Como já referido anteriormente, o bloco em estudo é constituído por diferentes espaços, assim sendo, na tabela seguinte apresenta-se os espaços que formam o piso 0 da escola em questão.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 42 Tabela 4 – Tabela dos Espaços presentes no piso 0 no bloco da escola em análise. Tabela de espaços do piso 0 Nome Tipo de espaço Área [𝑚2] Pé direito [m] Volume [𝑚3] Número de pessoas Anexo Anexo 3,86 2,7 10,8 0 SalaAula5 Sala de aula 54,74 2,8 152,27 21 SalaApoio6 Sala de apoio 19,52 2,8 54,66 9 Hall4 Hall/Corredor 7,07 2,8 19,8 1 SalaAula7 Sala de aula 52,44 2,8 146,83 21 SalaAula8 Sala de aula 51,13 2,8 143,16 21 SalaApoio10 Sala de apoio 16,47 2,8 46,11 9 Hall9 Hall/Corredor 9,9 2,8 27,72 1 SalaAula11 Sala de aula 54,98 2,8 153,94 21 Circulacao13 Hall/Corredor 39,19 2,8 109,73 1 Arrumos1 Arrumos 6,03 2,8 16,88 1 IS1 Instalações sanitárias 5,68 2,8 15,9 1 P00Z012Arrumos2 Arrumos 5,42 2,8 15,18 1 IS2 Instalações sanitárias 6,21 2,8 17,39 1 Circulacao2 Hall/Corredor 38,67 2,8 108,27 1 Arrumos3 Arrumos 5,94 2,8 16,63 1 SalaProf Sala dos professores 13,68 2,8 38,3 4 Arrumos4 Arrumos 3,2 2,8 8,96 1 Despensa Despensa 6,23 2,8 17,44 1 P00Z019IScozinha Instalações sanitárias 3,4 2,8 9,52 1 Cozinha Cozinha 31,49 2,8 88,17 2 Fotocopias Fotocopias 7,63 2,8 21,36 1
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 43 Tabela 4 – Tabela dos Espaços presentes no piso 0 no bloco da escola em análise (continuação). Tabela de espaços do piso 0 Nome Tipo de espaço Área [𝑚2] Pé direito [m] Volume [𝑚3] Número de pessoas IS3 Instalações sanitárias 10,35 2,8 28,98 1 Secretaria Secretaria 20,56 2,8 57,57 1 Polivalente1 Polivalente 234,98 5,12 997,45 80 Figura 21 – Planta do primeiro piso do edifício em estudo. Na tabela seguinte apresenta-se os espaços que formam o piso 1 da escola:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 44 Tabela 5 – Tabela dos Espaços presentes no piso 1 no bloco da escola em análise. Tabela de espaços do piso 1 Nome Tipo de espaço Área (𝑚2) Pé direito (m) Volume (𝑚3) Número de pessoas SalaAula22 Sala de aula 54,74 2,8 153,27 21 SalaApoio23 Sala de apoio 19,52 2,8 54,66 9 Sala Aula24 Sala de aula 53,52 2,8 149,86 21 SalaAula25 Sala de aula 52,32 2,8 146,5 21 Hall2 Hall/Corredor 7,07 2,8 19,976 1 SalaApoio26 Sala de apoio 16,61 2,8 46,51 9 Sala Aula27 Sala de aula 54,74 2,8 153,27 21 Circulacao29 Hall/Corredor 37,34 2,8 104,55 1 Circulacao19 Hall/Corredor 39,43 2,8 110,4 1 Arrumo6 Arrumos 5,18 2,8 14,5 1 IS4 Instalações sanitárias 6,54 2,8 18,31 1 Arrumo5 Arrumo 4,52 2,8 12,67 1 IS5 Instalações sanitárias 5,66 2,8 15,85 1 Hall20 Hall/Corredor 11,18 2,8 31,3 1 O edifício, cuja atividade principal se destina ao ensino básico tem uma área total de 1076 𝑚2, logo segundo o Decreto-Lei n.º 118/2013, define-se como GES, o edifício de comércio e serviços, cuja área útil de pavimento (𝐴𝑝), descontando os espaços complementares, seja igual ou superior a 1000 𝑚2 ou 500 𝑚2. No caso da Escola Básica do 1º Ciclo do Pendão enquadra-se na categoria dos GES. Considerando as tabelas 4 e 5, apresenta-se nas figuras seguintes a marcação do pavimento para o piso térreo e para o primeiro piso, respetivamente, fazendo-se assim uma identificação dos espaços úteis, a preto, e do espaço não útil presente a vermelho. Importante realçar que a marcação dos pavimentos e das coberturas foi realizada de acordo com o definido no regulamento.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 45 Figura 22 – Marcação da envolvente do piso térreo. Figura 23 – Representação envolvente do piso 1 relativamente à cobertura.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 52 4.3.2. PORTAS Em relação às portas, sabe-se de acordo com o Manual SCE que são consideradas portas opacas aquelas que apresentem uma área envidraçada inferior a 25% da sua área total, logo e com a ajuda da observação da figura 27, percebe-se que a área envidraçada é superior a 25% da área total, assim as portas são consideradas como vãos envidraçados [28]. Figura 27 - Portas exteriores presentes na escola [51]. 4.3.3. LAGES DE COBERTURAS E PAVIMENTOS No que diz respeito às coberturas, estão presentes quatro tipos de cobertura na escola EB1 Pendão. Todas as lajes de cobertura presentes são constituídas por betão, apresentando isolamentos diferentes entre si. Na figura seguinte apresentam-se a disposição das diferentes lajes de coberturas existentes na escola.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 53 Figura 28 – Print screen da disposição das diferentes lajes de cobertura ao longo do edifício no REVIT. Tal como para o caso das paredes é necessário a consulta da tabela 13 para a determinação dos valores definidos para os coeficientes de transmissão térmica no regulamento para edifícios existentes [28]. Tabela 13 - Coeficientes de transmissão térmica por defeito para pavimentos e coberturas [28]. Todas as coberturas enquadram-se na categoria de cobertura pesada horizontal e são constituídas por betão, no entanto as lajes de cobertura, COBE2 e COBE4, são constituídas ainda por placas de aglomerado de cortiça, enquanto a laje de cobertura exterior, COBE3, por
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 54 placas de fibrocimento e por seu lado a laje de cobertura, COBE1, possui uma camada de asfalto areado. Para as coberturas não se realiza a majoração uma vez que possuem isolamento contínuo. Determina-se com base na tabela acima apresentada, o valor do coeficiente de transmissão térmica por defeito para a camada de betão das coberturas. Tabela 14 – Valores obtidos por defeito para cobertura exterior de acordo com o regulamento. Tipo de Material ∆𝑥 [cm] 𝑈𝑡𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎6 [W/(𝑚2.°C)] 𝑅𝑠𝑖 [(m².°C)/W] 𝑅𝑠𝑒 [(m².°C)/W] 𝑅𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [(m².°C)/W] λ [W/mk] Cobertura pesada horizontal por defeito 20 2,6 0,10 0,04 0,25 0,82 Assim sendo, procedeu-se à determinação do coeficiente de transmissão térmica para as respetivas coberturas, sendo assim apresentadas nas seguintes tabelas a cateterização construtiva das diferentes lajes de cobertura presentes no edifício. Tabela 15 – Caracterização construtiva da laje de cobertura exterior COBE1. COBE1 Material ∆𝑥 [cm] R [(m².°C)/W] Betão (Cobertura pesada por defeito) 20 0,25 Asfalto areado 3 0,03 Rsi - 0,10 Rse - 0,04 Coeficiente de Transmissão Térmica (U) [W/(𝑚2 .°C)] 2,47
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 55 Tabela 16 – Caracterização construtiva das lajes de cobertura exterior COBE2 e COBE4. COBE2 e COBE4 Material ∆𝑥 [cm] R [(m².°C)/W] Betão (Cobertura pesada por defeito) 20 0,25 Placas aglomerado de cortiça 3 0,67 Rsi - 0,10 Rse - 0,04 Coeficiente de Transmissão Térmica (U) [W/(𝑚2 .°C)] 0,95 Tabela 17 – Caracterização construtiva da laje de cobertura exterior COBE3. COBE3 Material ∆𝑥 [cm] R [(m².°C)/W] Betão (Cobertura pesada por defeito) 20 0,25 Placas de fibrocimento 3 0,15 Rsi - 0,10 Rse - 0,04 Coeficiente de Transmissão Térmica (U) [W/(𝑚2 .°C)] 2,32 Relativamente aos pavimentos presentes na escola, existem dois tipos, o PavTer e o PavComp, correspondendo ao pavimento térreo e pavimento de compartimentação entre o Piso 0 e o Piso 1, respetivamente, sendo ambos constituídos por betão. Importante referir que o pavimento de compartimentação não é contabilizado para a determinação das trocas térmicas existentes.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 56 Tabela 18 - Valores obtidos por defeito para os diferentes pavimentos de acordo com regulamento. Tipo de Material ∆𝑥 [cm] 𝑈𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎29 [W/(𝑚2.°C)] 𝑅𝑠𝑖 [(m².°C)/W] 𝑅𝑠𝑒 [(m².°C)/W] 𝑅𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [(m².°C)/W] λ [W/mk] Tipo de pavimento PavTer -Pavimento pesado 30 3,1 0,17 - 0,323 0,93 PavComp - Pavimento pesado 30 3,1 0,17 0,17 0,453 2,665 Relativamente ao pavimento de compartimentação apresenta-se na tabela 19 a caraterização da sua laje bem como a determinação do respetivo valor do coeficiente de transmissão térmica. Tabela 19 - Caracterização construtiva da laje do pavimento de compartimentação PavComp. PavComp Material ∆𝑥 [cm] R [(m².°C)/W] Betão (Pav por defeito) 30 0,453 Rsi - 0,17 Rse - 0,17 Coeficiente de Transmissão Térmica (U) [W/(𝑚2 .°C)] 2,4827 Na tabela 20, aborda-se a respetiva laje do pavimento térreo: Tabela 20 - Caracterização construtiva da laje do pavimento térreo PavTer. PavTer Material ∆𝑥 [cm] R [(m². °C)/W] Betão (Pavter por defeito) 30 0,323 Coeficiente de Transmissão Térmica (U) [W/(𝑚2 .°C)] 0,907
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 57 4.4. ENVOLVENTE ENVIDRAÇADA A envolvente envidraçada corresponde a todos os vãos envidraçados, isto é, corresponde aos elementos no quais a área envidraçada é igual ou maior a 25% da sua área total. O levantamento dimensional das características dos vãos envidraçados é essencial para a avaliação do desempenho energético do edifício, visto que influenciam consideravelmente o desempenho térmico do edifício, devido à existência de perdas e ganhos de calor através desta envolvente. Como tal, houve a necessidade de se identificar o tipo e qualidade do vidro, caixilharias e proteções solares. De realçar que para a escola em questão, apenas há um tipo de proteção, que são os estores de lâminas colocado no exterior de alguns vãos envidraçados presentes como é possível verificar na tabela 22. Como tal, recorre-se à tabela seguinte para se determinar o valor de 𝑔𝑡𝑜𝑡,𝑣𝑐,𝑜𝑝: Tabela 21 - Fator solar do vão envidraçado com vidro corrente e dispositivo de proteção solar [28]. E levando em conta ainda que, para o caso dos vidros simples, o fator solar é determinado por: [28] 𝑔𝑡𝑜𝑡 = 𝑔𝑡𝑜𝑡,𝑣𝑐,𝑜𝑝.∏𝑔𝑡𝑜𝑡,𝑣𝑐𝑖 0,85 𝑖 (Equação 7) Assim, obtém-se os seguintes valores para os diferentes tipos de vidro presentes no edifício em estudo:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 58 Tabela 22 - Tipos de vãos envidraçados presentes no edifício. Tipo de Vidro Dimensões [cm] Caixilhari a Dispositivos de proteção solar 𝑈𝑤 [W/(𝑚2 .°C)] 𝑔𝑣 𝑔𝑡𝑜𝑡 VE1 (650 ×500) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (800 ×400) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (400 ×1400) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (1400 ×400) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (1500 ×2000) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (650 ×400) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE1 (650 ×1400) Abrir Com 6,2 0,85 0,14 VE2 (800 ×1400) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (800 ×2000) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (800 ×350) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (1200 ×350) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (1400 ×400) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (650 ×400) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (800 ×400) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE2 (650 ×1400) Abrir Sem 6,2 0,85 0,85 VE3 (1400 ×400) Correr Sem 6,5 0,85 0,85 VE3 (650 ×1400) Correr Sem 6,5 0,85 0,85 VE4 (650 ×350) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE4 (650 ×950) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE4 (800 ×1400) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE4 (800 ×400) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE4 (1400 ×400) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE4 (650 ×1400) Correr Com 6,5 0,85 0,14 VE5 (1400 ×400) Fixo Sem 6 0,85 0,85 VE5 (650 ×1400) Fixo Sem 6 0,85 0,85 VE6 (650 ×800) Fixo Com 6 0,85 0,14 VE6 (1400 ×400) Fixo Com 6 0,85 0,14
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 59 Nos edifícios de comércio e serviços os dispositivos de proteção solar móveis dos vãos envidraçados devem ser ativados sempre que a radiação solar incidente na fachada supere os 300 W/𝑚2 ou, em alternativa, considerar que os dispositivos se encontram ativados em 60% da área do vão envidraçado ou outro método que produza efeito equivalente [28]. Tendo em consideração a tabela 22, apresenta-se nas seguintes figuras a disposição dos tipos de envidraçado presentes nas diferentes fachadas do edifício: Figura 29 – Tipologia de envidraçado VE2 presente na fachada Sul. De notar que na figura 29 apenas estão assinalados os envidraçados do tipo VE2, uma vez que todos os outros envidraçados presentes nesta fachada correspondem ao tipo VE4, exceto os que são identificados na figura 30. De maneira a serem apresentados todos os vãos envidraçados presentes com a respetiva orientação para Sul, surge a figura seguinte: Figura 30 - Restantes envidraçados presentes na fachada Sul. De seguida, apresentam-se os envidraçados presentes na fachada norte da escola.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 60 Figura 31 - Tipologias de envidraçados presentes na fachada Norte. No entanto, como se percebe a partir da figura acima, alguns envidraçados não são visíveis, como tal, na figura 32 mostra-se os envidraçados da parede virada a norte que não são totalmente visíveis na 31. Figura 32 - Restantes envidraçados presentes na fachada Norte. No que diz respeito, à fachada Este, apresenta os vãos envidraçados identificados na figura 33: Figura 33 - Tipologias de envidraçados presentes na fachada Este. Tal como se sucede na fachada norte, através da figura 33 não é possível visualizar-se todos os envidraçados presentes na fachada Este, estando os restantes na figura 34.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 61 Figura 34 - Restantes envidraçados presentes na fachada Este. De referir que, os restantes envidraçados que não se encontram assinalados na figura 34, são do tipo VE5. Por último, aborda-se a fachada Oeste, como está ilustrado na figura 35. Figura 35 - Tipologias de envidraçados presentes na fachada Oeste. Os envidraçados não identificados na figura 35 pertencem à classe de envidraçados VE3. Tal como para a fachada Este, há envidraçados que não é possível visualizar na figura apresentada, no entanto a fachada Oeste possui os mesmos vãos envidraçados não visíveis que a fachada Este, diferenciando-se apenas na sua orientação. Nas situações em que se recorra à ativação dos dispositivos de proteção em 60% da área do vão envidraçado, caso o software de cálculo não considere o efeito da seletividade angular, o fator solar é determinado por: 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜= 0,60. 𝑔𝑡𝑜𝑡 + 0,40. ( 4 12 . 𝐹 𝑤,𝑣. 𝑔⊥,𝑣𝑖 +8 12 . 0,90. 𝑔⊥,𝑣𝑖) (Equação 8) Em que: 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜 – Fator solar a considerar no software de cálculo; 𝑔𝑡𝑜𝑡 – Fator solar do vão envidraçado com todos os dispositivos de proteção solar totalmente ativados; 𝐹 𝑤,𝑣 – Fator de correção da seletividade angular de verão 𝑔⊥,𝑣𝑖 – Fator solar da área transparente para uma incidência da radiação perpendicular ao vão envidraçado.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 68 Figura 37 - Tecnologias de iluminação dos espaços interiores presentes no edifício [39] 4.5.2.2. SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO EXTERIOR A iluminação exterior é constituída por lâmpadas fluorescentes tubulares com uma potência unitária de 36 W e lâmpadas de vapor de mercúrio (VM) com uma potência unitária de 250W, totalizando uma potência de iluminação exterior instalada de 1,67 kW. Tabela 27 - Potência total instalada por tipo de lâmpada no exterior [49]. Tipo de Lâmpada Potência instalada (W) % Potência total instalada Fluorescentes Tubulares 421,2 25 Vapor de Mercúrio 1250 75 Total 1671,2 100 Estas luminárias apresentam-se espalhadas ao longo da escola, na parte exterior desta, e foram contabilizadas 9 lâmpadas fluorescentes tubulares de 36 W, sendo que estas lâmpadas possuem balastros ferromagnéticos tendo-se agravado em 30% a potência de iluminação destas, e 5 lâmpadas de vapor de mercúrio, sem balastro, de 250 W. De seguida, apresenta-se um exemplo de um tipo de iluminação exterior. Figura 38 – Exemplo de Iluminância presente no exterior do edifício, neste caso, uma luminária de uma lâmpada de VM [49].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 69 4.5.3. SISTEMA DE PRODUÇÃO DE AQS O edifício dispõe de um esquentador a gás propano, de exaustão natural, da marca Vulcano. É utilizado na produção de água quente para utilização na cozinha e equipamentos de cozinha, tendo em consideração que se designam por águas quentes sanitárias (AQS) as águas de consumo doméstico que se pretendam a uma temperatura superior à que é fornecida pela rede de abastecimento público, garantindo assim que a água esteja disponível para tarefas essenciais. Na figura seguinte apresenta-se a constituição do aparelho, de maneira a apresentar uma descrição do sistema presente. Figura 39 – Esquema da constituição do esquentador presente na escola. Sendo que: 1Dispositivo de controlo de saída de gases queimados; 2Chaminé; 3Limitador de temperatura; 4Elétrodo de ionização; 5Dispositivo de controlo de estado da chama do queimador; 6Válvula de água; 7Entrada de gás; 8Saída de água; 9Frente; 10Caixa das baterias; 11Unidade de ignição; 12Interruptor ON/OFF / LED - controle estado das baterias;
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 70 13Válvula de gás; 14-Queimador; 15-Queimador piloto; 16Elétrodo de ignição; 17Dispositivo de controlo de estado da câmara de combustão; 18Câmara de combustão; 19-Gola de ligação à conduta de gases queimados; 20Seletor de potência; 21LED - controle estado do queimador; 22Seletor de temperatura/caudal. O equipamento presente dispõe de chama piloto permanente, sendo o seu controlo efetuado manualmente, sendo que os esquentadores da Vulcano proporcionam o aquecimento das águas sanitárias de uma forma instantânea. Neste caso, a água fria entra diretamente no esquentador onde é aquecida à medida que vai circulando pelo permutador de calor do aparelho, sendo que desta forma garante-se um fornecimento contínuo de AQS. [52]. Apresenta uma potência de 8,7 kW e um rendimento de 64%, sendo que o rendimento de referência é de 89% e apresenta um consumo final de energia de 8106 kWh/ano. O fornecimento de gás propano à escola é efetuada através de garrafas de 45 kg, verificando-se o consumo médio de 3,2 garrafas por mês para a produção de águas quentes utilizadas na cozinha e equipamentos de cozinha, num total de 26 garrafas por ano. Foi considerado um consumo anual de 1 462,39 kg de gás propano, o que representa um consumo de 19,3 MWh/ano, distribuído entre a produção de AQS e os equipamentos de cozinha [49]. 4.6. PERFIL DE HORÁRIOS A escola serve 160 alunos, que se distribuem do 1º ao 4º ano de escolaridade. Os seus recursos humanos são constituídos por 8 professores e 6 assistentes operacionais. Todas as turmas têm horário normal, complementado com as atividades de enriquecimento curricular, com duração normal das 9H00 às 17H30. Estas instalações são também rentabilizadas para o prolongamento de horário até às 19H00. As limpezas realizam-se duas vezes por dia, das 8H00 às 9H00 e das 17H30 as 19H00. São servidas 140 refeições em média por dia, confecionada no local. A cozinha inicia o seu funcionamento às 8H00 e termina pelas 16H00. Os almoços são servidos em 2 turnos
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 71 tendo uma duração total das 12H00 às 14H15.A escola funciona 10 meses por ano e 22 dias por mês e não funciona habitualmente ao fim de semana. Assim sendo, a escola em questão foi definida como K-12 School no REVIT, isto é, uma escola de ensino básico e secundário, que inclui o jardim de infância até ao 12º ano. De referir que foram definidos diferentes perfis de ocupação para as diferentes zonas presentes na escola para o período letivo da mesma, como é apresentado no capítulo 5 e nos Anexos. Estes cronogramas fornecem informações sobre suposições de ocupação para diferentes cronogramas operacionais de edifícios usados durante a análise energética [53]. De referir, que o período letivo é definido da seguinte maneira: • 6 de janeiro a 5 de abril; • 14 de abril a 8 de junho; • 25 de agosto a 15 de dezembro. Para os períodos do ano letivo em que a escola se encontra fechada incluindo os fins de semana e feriados, os multiplicadores de ocupação são zero para todas as horas do dia e todos os dias da semana [54]. Assim sendo, apresenta-se definido de seguida os períodos do ano em que isto se verifica: • 1 de janeiro a 5 de janeiro; • 6 de abril a 13 de abril; • 9 de junho a 24 de agosto; • 16 de dezembro a 31 de dezembro. De realçar que estes períodos foram usados no DesignBuilder, uma vez que no REVIT quando se atribui o período de ocupação para cada tipo de espaço, identificada uma limitação quanto à opção de existirem diferentes períodos de ocupação. Assim sendo, e como se pretende fazer uma comparação o mais rigorosa possível entre ambos os software, são definidos os períodos anteriormente referidos.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 72
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 73 5. SIMULAÇÃO DINÂMICA Neste capítulo, aborda-se a simulação dinâmica no REVIT e no DesignBuilder com o objetivo de se determinar as necessidades energéticas do respetivo edifício, em relação ao aquecimento e arrefecimento. Como já referido anteriormente, a modelação geométrica da escola em questão foi efetuada no REVIT, procedendo-se depois à definição da respetiva envolvente, equipamentos e perfis de utilização, para que se consiga determinar as cargas térmicas associadas. Através do Heating and Cooling Loads, são obtidos os respetivos resultados relativamente às cargas de aquecimento e de arrefecimento sendo depois necessário o recurso ao Insight onde a partir da simulação no REVIT se obtém os respetivos consumos energéticos do edifício. No que diz respeito ao DesignBuilder, realizou-se a importação de um ficheiro gbXML proveniente do REVIT, e posteriormente a caraterização de todo o modelo geométrico para que e com recurso ao EnergyPlus, ferramenta usada como motor de simulação subjacente, determina-se as exigências do modelo energético em questão. 5.1. SIMULAÇÃO DINÂMICA NO REVIT Primeiramente, abordou-se a construção do modelo da escola com a introdução de todos os dados referidos na caraterização do edifício, através da importação de um ficheiro AUTOCAD, com a planta do edifício em questão. Foi feita a importação para o REVIT e a partir dessas plantas, definem-se os elementos da envolvente, estabelecendo o limite das diversas zonas da escola, quer no primeiro piso quer no piso térreo. 5.1.1. INTRODUÇÃO DOS DADOS RELATIVOS À ENVOLVENTE OPACA 5.1.1.1 Paredes A envolvente exterior é maioritariamente formada pela parede PE1, de 20 cm de espessura, assim na figura presente a seguir consegue-se visualizar a constituição desta mesma parede no REVIT:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 74 Figura 40 – Print screen da constituição da parede exterior PE1 no REVIT. Importante realçar novamente, que as paredes são formadas por tijolo, e como está apresentado na tabela 11, valores estes determinados através da tabela 10, a partir dos quais se obteve os valores de 𝑅𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 e consequentemente o valor de λ, para se introduzir no programa. Na figura 41 apresentam-se as caraterísticas térmicas da parede PE1 definidas no REVIT: Figura 41– Print screen das propriedades térmicas da parede exterior do tipo PE1 no REVIT. Como é possível visualizar, foram acrescentadas à constituição da parede duas camadas de ar térmicas, que representam as resistências superficiais Rsi e Rse, com valor de 0,1 e 0,04 [(𝑚2. °C)/W], respetivamente, visto que, o REVIT para determinar o coeficiente de transmissão térmica, neste caso de PE1, não considera estas resistências, no entanto, é necessário o coeficiente de transferência de calor por convecção interna e externa da parede para os cálculos adequados, sendo necessário adicionar um pouco de resistência térmica a outra camada física da parede, para se obter o valor U adequado [55].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 75 Figura 42 – Print screen das propriedades da parede exterior do tipo PE1 no REVIT. Este procedimento foi realizado no REVIT para as restantes paredes exteriores do edifício, mas também para as paredes de compartimentação e a respetiva parede interior presente. 5.1.1.2 Lajes de Pavimentos e Coberturas Como já referido anteriormente, o modelo energético em estudo apresenta dois tipos de pavimentos diferentes, o pavimento térreo, PavTer, e o pavimento de compartimentação presente entre o piso 0 e o piso 1, PavComp. No que diz respeito à laje do pavimento térreo presente, a figura 43 apresenta a constituição definida no REVIT: Figura 43 - Print screen da constituição da laje do pavimento térreo presente no edifício no REVIT. Como se pode visualizar, para além das resistências superficiais que foram adicionadas, acrescentou-se ainda uma camada de ar na constituição do edifício, com espessura de 1,85 cm, de maneira que o valor obtido no REVIT seja semelhante ao valor obtido no DesignBuilder, para que seja possível estabelecer uma correta comparação entre os dois programas. Assim sendo, o programa calcula automaticamente com base nas informações dadas, o respetivo valor do coeficiente de transmissão térmica para o pavimento térreo.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 76 Figura 44 - Print screen das propriedades do pavimento térreo PavTer. Relativamente às diferentes lajes de coberturas exteriores existentes, apresenta-se na figura seguinte a constituição da cobertura exterior, COBE1: Figura 45 – Print screen da definição da laje de cobertura exterior COBE1 no REVIT. Figura 46 – Print screen das propriedades da laje de cobertura exterior COBE1 no REVIT. De realçar que foram seguidos os mesmos passos para as restantes coberturas e pavimentos presentes, de maneira a determinar-se as suas propriedades globais respetivas. 5.1.2. INTRODUÇÃO DOS DADOS RELATIVOS À ENVOLVENTE ENVIDRAÇADA Neste ponto do capítulo 5, aborda-se a introdução das características térmicas e solares do vão, uma vez que as características são conhecidas, através do relatório de levantamento de medidas e dos cálculos efetuados, como se pode verificar na tabela 22 do capítulo 4. O valor de 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜 introduzido é o valor apresentado na tabela 24. Como já referido anteriormente, apenas os vãos envidraçados do tipo VE02, VE04 e VE06 apresentam proteção exterior, mais precisamente, estore de lâminas, tendo o respetivo 𝑔𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎çã𝑜 calculado no capítulo 4 sido afetado por este mesmo fator.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 77 Uma vez que há uma enorme variedade de vãos envidraçados e fazendo referência novamente à tabela 24, têm ainda de se considerar a orientação do mesmo, logo a título de exemplo, na figura 47, apresenta-se a inserção dos parâmetros no vão envidraçado VE01, neste caso orientado a Norte, seguindo-se a mesma abordagem para os demais vãos envidraçados presentes no edifício. Figura 47 - Print screen da definição do vão envidraçado VE01 orientado a Norte no REVIT. 5.1.3. INTRODUÇÃO DOS DADOS RELATIVOS À CARATERIZAÇÃO DOS ESPAÇOS INTERIORES O REVIT proporciona uma biblioteca com diversos tipos de espaços já configurados com os parâmetros devidamente padronizados, que contribuem para o cálculo do consumo energético, sendo que estes mesmos parâmetros se regem pelas normas da ASHRAE [56]. Além disso, é possível criar tipos de espaços personalizados, configurando os seus parâmetros conforme as características que se pretende do edifício, permitindo a simulação do desempenho energético nesses espaços, ajustando-se diferentes variáveis relevantes. Provenientes dos diferentes tipos de espaços que constituem a escola, surgem as cargas térmicas associadas a estes, podendo-se configurar diversas características, como se pode visualizar na figura seguinte, para o caso da cozinha.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 84 Depois de definidas as características associadas ao edifício pedidas pelo REVIT, para proceder ao cálculo das respetivas cargas térmicas, obtém-se os resultados exibidos nas figuras seguintes: Figura 55 – Print screen dos resultados obtidos através da simulação das cargas térmicas no REVIT. Figura 56 – Resultados das cargas resultantes em relação aos diversos componentes relativamente ao arrefecimento do edifício com opção Use Load Credits ativa.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 85 Figura 57 – Resultados das cargas resultantes em relação aos diversos componentes relativamente ao aquecimento do edifício com opção Use Load Credits ativa. De referir que para os resultados presentes nas figuras 55 e 58 e como se pode visualizar na figura 54, através da opção Use Load Credits, passa para o caso do aquecimento a incluir ganhos internos como pessoas, energia e iluminação [63]. Como se pode observar comparando as figuras 55 e 58, verifica-se que a carga de aquecimento é menor devido aos créditos dos ganhos internos. Assim sendo, se não for considerada a opção Use Load Credits obtém-se os seguintes resultados: Figura 58 - Print screen dos resultados obtidos sem Load Credits no REVIT. Apresenta-se na figura seguinte os resultados das cargas resultantes em relação aos diversos componentes relativamente ao arrefecimento do edifício:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 86 Figura 59 - Resultados das cargas resultantes em relação aos diversos componentes relativamente ao arrefecimento do edifício. Relativamente às cargas de aquecimento, os resultados são exibidos na figura exposta de seguida: Figura 60 - Resultados das cargas resultantes em relação aos diversos componentes relativamente ao aquecimento do edifício. Nas figuras 55 e 58 também se pode visualizar o dia e a hora do ano em que a carga de arrefecimento atinge o seu valor máximo, sendo utilizado para o dimensionamento de sistemas de climatização.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 87 De seguida, procedeu-se à respetiva simulação dinâmica, através do Autodesk Insight, uma ferramenta que se integra com o REVIT, oferecendo uma interface intuitiva e uma abordagem simples de análise que facilita a exploração, visualização e comparação dos resultados da análise de carbono [64]. O Insight utiliza o modelo analítico de energia do REVIT como ponto de partida para as análises operacionais (OC) e de carbono incorporado (EC) e realiza análises de sustentabilidade abrangentes, permitindo visualizar e comparar os impactos de diversas soluções de design [64]. De notar que se realizou a simulação para 1 ano, no entanto o programa também permite que seja feita para 10 ou 20 anos. Relativamente ao consumo anual de energia do edifício em estudo, é estabelecido de seguida, onde é utilizada a energia referida na figura 61, obtida no Insight: Figura 61 – Print screen do consumo de energia anual para a escola em questão no Insight. Relativamente à iluminação exterior, no Insight é necessário criar um fator personalizado de maneira a representar a potência de iluminação exterior (kWh) a considerar
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 88 na sua análise. Os fatores desempenham um papel fundamental na utilização das métricas de análise de carbono para examinar os dados do modelo, fornecendo valores que são utilizados nas métricas nas quais a analise no Insight se baseia [65]. Assim sendo na figura seguinte apresenta-se o fator criado relativamente à iluminação exterior: Figura 62 - Print screen do fator personalizado criado relativo à iluminação exterior no Insight. É necessário adicionar uma opção de projeto nas opções definidas, que represente as 14 luminárias presentes no exterior da escola [66]. Em seguida, é necessário reduzir este mesmo fator em 15%, sendo este ajuste responsável pelo cronograma relativo à iluminação exterior, sendo estes 15% uma diretriz padrão [66]. Logo, apresenta-se na figura 63 o consumo elétrico relativo à iluminação exterior:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 89 Figura 63 – Print screen do consumo anual de energia em iluminação exterior no Insight. Assim sendo, obtém-se um valor de 8826,92 kWh relativo ao consumo referente à iluminação exterior do edifício, tendo este valor que ser adicionado ao valor referente ao consumo elétrico dado pelo Insight, uma vez que, como é um fator personalizado não aparece diretamente na Energy Use Intensity (EUI) do edifício em estudo. 5.2. SIMULAÇÃO DINÂMICA NO DESIGNBUILDER Avançando para o DesignBuilder e lembrando novamente que se dá a importação de um ficheiro gbXML proveniente do REVIT para se importar no DesignBuilder, é necessário criar um modelo energético baseado no modelo geométrico representado na figura 24, modelo este que se pode visualizar na figura presente a seguir.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 90 Figura 64 – Print screen do modelo analítico de energia da escola em estudo no REVIT importado para o DesignBuilder. Um modelo analítico de energia é uma forma especial de geometria utilizada para motores de simulação de energia como o DOE 2.2 e o EnergyPlus. O modelo analítico de energia é uma abstração da forma geral e do layout de um edifício numa rede computacional, sendo que esta rede captura todos os principais caminhos e processos de transferência de calor em todo o edifício [67]. Na criação de um projeto novo, no DesignBuilder é necessário selecionar-se a respetiva localização. Este software possui diversos templates que correspondem a localizações de diversos países, com informações relativas às condições climáticas, período de duração das estações de aquecimento e arrefecimento, entre outros aspetos. No entanto, este software não dispõe de um template da localização onde esta escola se encontra e uma vez que a localização necessita de estar em coerência com a que foi adicionada no REVIT, como se pode ver na figura 65. Foi necessário a criação de um novo template, com os dados climáticos retirados do software SCE.CLIMA. Este programa é fornecido pela DGEG, que permite adaptar os arquivos climáticos, em função do município, altitude e zona climática. O software gera um ficheiro no formato. epw, com as respetivas informações, como se pode observar na figura seguinte:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 91 Figura 65– Print screen da folha de cálculo SCE.CLIMA que permite obter os dados climáticos para o local do edifício em estudo. Os elementos a cinzento, na figura 66, representam as diversas soluções construtivas no que diz respeito às coberturas presentes. Por seu lado, os elementos ilustrados a vermelho correspondem às paredes que constituem a envolvente exterior do edifício. A cor azul, estão apresentados os vãos envidraçados presentes. A tons de verde, no interior do edifício, estão representadas as diversas paredes de compartimentação e a preto o pavimento térreo, PavTer. Por último, as paredes interiores são representadas a amarelo. Assim, através da figura 66, apresenta-se o respetivo modelo: Figura 66 – Print screen da representação da geometria do modelo do edifício previsto no DesignBuilder.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 92 Em seguida, define-se as zonas do edifício, tendo em consideração cada espaço do mesmo e através do painel de navegação do DesignBuilder, onde é exibido uma estrutura hierarquizada de dados, começando por identificar o edifício, passando para os blocos, zonas e, por fim, os respetivos elementos construtivos. O modelo foi divido em três blocos diferentes: PO, P1 e P0B. O P0 corresponde ao piso térreo da escola, o P1 ao primeiro piso do mesmo e o P0B ao espaço não útil situado no pátio da escola, sendo a definição dos espaços efetuada através do separador Activity. É apresentando como exemplo, o caso do Anexo, para a definição do tipo de espaços em questão, assim procede-se à alteração para Semi-exterior unconditioned, definindo assim este espaço como um espaço não útil [68]. Figura 67 - Print screen da definição do Anexo como espaço não útil no DesignBuilder. 5.2.1. INTRODUÇÃO DOS DADOS RELATIVOS À ENVOLVENTE OPACA 5.2.1.1 Paredes Como já foi referido anteriormente, a envolvente exterior da escola é formada maioritariamente pela parede PE1, sendo a constituição desta mesma parede, mas assim como de todos os elementos da envolvente opaca foram importadas para o DesignBuilder através do ficheiro gbXML, não tendo sido utilizadas funcionalidades existentes neste programa no que diz respeito à modelação. Na figura 68, apresenta-se a constituição da parede exterior PE1: Figura 68 - Print screen da constituição da parede exterior PE1 no DesignBuilder.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 93 Para além disto, no separador Calculated são apresentadas as propriedades globais do componente em questão, neste caso, informações relativas à parede exterior PE1, onde se pode verificar o valor da resistência térmica, bem como o respetivo valor do coeficiente de transmissão térmica, apresentadas na figura 69. Figura 69 – Print screen das propriedades globais da parede exterior PE1 no DesignBuilder. As caracterizações dos restantes elementos construtivos, neste caso, as restantes paredes exteriores, as paredes de compartimentação e a parede interior presentes seguem a mesma abordagem, tendo-se determinado os respetivos valores de 𝑈, valores estes semelhantes aos valores considerados no REVIT. 5.2.1.2 Lajes de Pavimento e Cobertura Em relação às respetivas coberturas da escola, estão posicionadas no DesignBuilder da mesma forma que no software REVIT, ou seja, como está ilustrado na figura 28. Relativamente à laje de cobertura exterior, COBEXT1, apresenta-se na figura seguinte a sua constituição:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 100 5.2.3.2. Sistemas AVAC Relativamente à modelação dos sistemas AVAC, é importante agrupar as respetivas zonas em zone groups, sendo que nestes grupos os equipamentos possuem configurações e propriedades semelhantes. Como tal, apresenta-se na figura 81 a única zona considerada por esta escola. Figura 81 – Print screen da Zone Group da zona servida pelo sistema definido no DesignBuilder onde é possível ver a inclusão de todos os espaços nesta zona única. Os radiadores elétricos presentes nas diferentes zonas da escola, apresentam as caraterísticas apresentadas na figura 82: Figura 82 – Print screen das caraterísticas de um radiador elétrico presente numa sala de aula no DesignBuilder. Importante realçar que os horários de funcionamento podem ser definidos de duas formas: 7/12 Schedules, onde é atribuída uma configuração única para cada dia da semana e cada mês do ano, e Day Schedules, o método que foi utilizado, a partir do qual se utiliza um formato de dados compacto, em base de texto [75].
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 101 Para o caso do horário de funcionamento dos radiadores, responsáveis pelo aquecimento da escola, e de acordo com os horários referidos no capítulo 4, relativamente à caraterização da escola, é definido que as turmas possuem um horário das 9H00 até as 17H30, sendo as limpezas efetuadas duas vezes por dia, das 8H00 às 9H00 e das 17:30 às 19H00. Assim sendo, definiu-se que os radiadores elétricos começam a contribuir para o aquecimento da escola às 8H00, sendo que até as 18H00 todos os radiadores elétricos presentes na escola estão ligados. Das 18H00 às 19H00 define-se que apenas 10% dos radiadores estão ativos, uma vez que a escola já se encontra sem alunos e os diferentes espaços ficam limpos para o dia seguinte. De realçar que para o período sem aulas, incluindo fim de semana e feriados, considera-se que os radiadores nunca são ligados. Assim na figura 83, é apresentado o perfil horário criado relativamente ao aquecimento no DesignBuilder: Figura 83 – Print screen do perfil horário criado relativamente ao aquecimento no DesignBuilder. 5.2.4. RESULTADOS OBTIDOS Depois de definidas todas as variáveis relevantes para a simulação dinâmica da escola em questão, bem como a criação do seu modelo energético, procedeu-se à simulação no DesignBuilder, visto que se pretende avaliar o desempenho energético do edifício em estudo na presente dissertação, uma vez que este software permite uma grande facilidade e flexibilidade na análise dos resultados através da hipótese de definir parâmetros
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 102 relativamente à escola em geral ou para uma zona especifica, como já foi ilustrado anteriormente. Como tal, de maneira a se analisar as condições de conforto térmico e os consumos energéticos, realizou-se uma simulação do edifício, para o período definido de um ano. Esta simulação tem em conta todas as características da envolvente, os sistemas técnicos (com exceção do sistema AQS) e as cargas presentes na escola, como a iluminação, equipamentos, ganhos solares e ocupação. Assim sendo, relativamente aos dados relativos ao Heating Design proveniente do DesignBuilder foram obtidos os resultados que se podem visualizar na figura 84: Figura 84 – Resultados obtidos no Heating Design no software DesignBuilder. Considerando a figura acima, apresenta-se na tabela seguinte as principais transferências de calor que ocorrem no edifício em estudo:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 103 Tabela 29 - Principais transferências de calor que ocorrem no edifício em estudo no DesignBuilder. Elementos Balanço energético (kW) Envidraçados -17,41 Paredes -22,70 Coberturas interiores -0,10 Pavimentos interiores 0,10 Pavimento térreo 0,05 Partições interiores -0,07 Coberturas -18,53 Pavimentos exteriores -0,02 Infiltrações exteriores -5,40 Aquecimento sensível à zona 64,08 De seguida, na figura 85, são apresentados os resultados obtidos neste software relativamente ao Cooling Design: Figura 85 – Resultados obtidos relativamente às cargas de arrefecimento para a escola em estudo no DesignBuilder.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 104 De realçar que os ganhos relativos aos equipamentos elétricos, solares, devido às pessoas e à iluminação contribuem para o ganho de calor, tendo um valor negativo relativamente às cargas de arrefecimento do edifício. Na figura seguinte, apresentam-se os consumos energéticos anuais da escola, segundo as tipologias: aquecimento, arrefecimento, iluminação e equipamentos. Figura 86 – Print screen dos consumos energéticos do edifício obtidos no DesignBuilder. Através da análise dos resultados apresentados, e em relação ao consumo de energia elétrica do edifício, conclui-se que a iluminação e os equipamentos presentes no edifício são responsáveis por cerca de 91% do consumo de eletricidade. 5.3. COMPARAÇÃO DE RESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO DINÂMICA Na presente dissertação, foram utilizados dois software com o objetivo de se determinar os respetivos consumos de energia obtidos por ambos, avaliando-se assim a consistência dos valores obtidos de acordo com as informações fornecidas a ambos os programas. Como já foi referido anteriormente, no REVIT quando o opção Use Load Credits não se encontra ativa, não é considerado o crédito para ganhos de calor solar ou interior bem como o efeito de armazenamento térmico da estrutura do edifício, enquanto por seu lado o DesignBuilder inclui ganhos solares através de janelas e ventilação natural assim como considera a condução de calor e convecção entre zonas de diferentes temperaturas, mas
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 105 também multiplica a carga máxima de arrefecimento em cada zona por um fator de segurança (1,3 por defeito) para obter uma capacidade de arrefecimento projetada [76]. Relativamente ao cálculo das cargas de aquecimento, o DesignBuilder não considerar ganhos solares nem ganhos internos como iluminação, ocupação, equipamentos, sendo a perda total de calor em cada zona multiplicada por um fator de segurança (1,5 por defeito) para fornecer uma capacidade de projeto de aquecimento recomendada.[48] Por seu lado, o REVIT através da opção Use Load Credits, permite considerar ou não estes mesmos ganhos térmicos. É ainda importante realçar novamente e como já referido no capítulo 5, no REVIT tevese de acrescentar à constituição das paredes exteriores duas camadas de ar térmicas, que representam as resistências superficiais Rsi e Rse, com valor de 0,1 [(𝑚2. °C)/W] e 0,04 [(𝑚2. °C)/W], respetivamente, visto que o REVIT para determinar o coeficiente de transmissão térmica não considera estas resistências, no entanto, é necessário o coeficiente de transferência de calor por convecção interna e externa da parede para os cálculos adequados, sendo necessário adicionar um pouco de resistência térmica a outra camada física da parede, para se obter o valor U adequado [55]. Adicionou-se camadas de ar térmicas também nas coberturas, pavimentos e na parede interior presente, com o objetivo de se determinar o coeficiente de transmissão térmica, em concordância com os valores obtidos no DesignBuilder. De notar que os valores de Rsi e Rse adicionados estão de acordo com o tipo de componente em questão. Logo, abordando os resultados obtidos em relação às cargas de aquecimento e de arrefecimento no REVIT, presentes nas figuras 59 e 60, e os resultados obtidos no DesignBuilder, presentes na figura 84 e na tabela 29, relativamente ao aquecimento, e na figura 85, em relação ao arrefecimento, consegue-se verificar diferenças quer nas trocas térmicas que são consideradas em ambos os software quer nos resultados obtidos. No entanto, estas diferenças já seriam de se esperar devido aos aspetos referidos anteriormente e considerados pelos dois software. No que se refere aos consumos energéticos, configurou-se ambos os programas de acordo com a sua localização, uso do edifício, bem como os respetivos sistemas presentes, estabelecendo-se horários relativos à ocupação, iluminação e equipamentos internos, de maneira a não existirem discrepâncias que pudessem influenciar os resultados. Assim sendo,
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 106 na figura seguinte apresentam-se os consumos energéticos da escola obtidos nos dois software: Figura 87 – Resultados obtidos relativamente aos consumos de energia nos dois software. Como tal, a partir da figura 87 e da tabela seguinte, observa-se que os consumos energéticos estimados apresentam valores semelhantes, com diferenças percentuais que podem ser consideradas irrelevantes no contexto de análise [77]. Tabela 30 – Comparação dos resultados obtidos em ambos os software. Consumos obtidos no REVIT [kWh] Consumos obtidos no DesignBuilder [kWh] Diferença percentual [%] Aquecimento 5830,3 5468,6 6,3 Iluminação exterior 8826,9 8285,9 6,1 Gás 19088,9 19405 1,6 Eletricidade 60640,8 61100,4 0,8
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 107 Assim sendo, reforça a confiança em ambas as ferramentas no contexto da análise energética. O REVIT, como ferramenta BIM, fornece benefícios tecnológicos para o processo de projetos e construção, no entanto, não se foca especificamente em simulações energéticas, como é o caso do DesignBuilder, que apresenta uma maior precisão e controlo das variáveis em relação ao comportamento térmico e à dinâmica do respetivo modelo, apresentam consistência nos resultados obtidos. 5.4. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS DA SIMULAÇÃO DINÂMICA COM OS DADOS REAIS A simulação dinâmica revela-se uma ferramenta essencial para prever o consumo de energia e avaliar o impacto de diferentes estratégias de eficiência energética, no entanto, para garantir a fiabilidade e a precisão dos modelos computacionais, é fundamental realizar uma comparação rigorosa entre os resultados simulados e os dados reais relativamente ao consumo energético. Importante referir novamente que a simulação em ambos os programas foi realizada para um período de 1 ano. Neste subcapítulo, de modo a validar os respetivos modelos de energia procedeu-se à comparação dos resultados obtidos através da simulação dinâmica com os consumos energéticos reais do edifício em estudo. Esta abordagem possibilita avaliar o grau de concordância entre as previsões do modelo e o desempenho real do edifício, oferecendo uma base sólida para calibrar o modelo e aumentar a sua precisão. Através dos dados fornecidos, no relatório de 2016, pela empresa que avaliou o edifício, foi possível obter o consumo de energia relativamente ao consumo elétrico e de gás, sendo na figura seguinte apresentado os respetivos consumos em relação aos obtidos nos dois software utilizados.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 108 Figura 88 – Comparação dos resultados obtidos através da simulação dinâmica com os consumos reais de energia. Deste modo, ambas as ferramentas mencionadas revelam-se adequadas no auxílio na implementação de estratégias com vista a uma maior eficiência energética, contribuindo assim para um projeto sustentável e alinhado às necessidades reais do edifício.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 109 6. MEDIDAS DE MELHORIA Este capítulo foca-se na identificação e análise de medidas de melhoria que podem ser aplicadas para otimizar o desempenho energético do edifício em questão, após a analise dos resultados obtidos através da simulação dinâmica. Estas medidas são determinadas devido à identificação dos parâmetros do modelo energético da escola com pior desempenho energético e com consumos excessivos. Desta forma, para cada uma das medidas propostas, foram calculados os custos de investimento, a poupança energética anual e o período de retorno, garantindo que as soluções apresentadas sejam sustentáveis e viáveis, baseando-se em simulações dinâmicas e análises práticas que permitem quantificar os benefícios das intervenções. Assim sendo, são apresentadas as seguintes medidas de melhoria avaliadas: • Medida de Melhoria 1: Substituição dos sistemas de iluminação; • Medida de Melhoria 2: Substituição do isolamento das coberturas; • Medida de Melhoria 3: Implementação de um sistema de produção fotovoltaico para autoconsumo; • Medida de Melhoria 4: Substituição do sistema de aquecimento; • Incorporação integral das medidas de melhoria. 6.1. MEDIDA DE MELHORIA 1 Como está ilustrado na figura 61, a iluminação assume-se como uma fração considerável responsável pelo consumo de energia na escola em questão nesta dissertação, assim uma medida de melhoria seria a substituição dos sistemas de iluminação referidos na tabela 31 por sistemas mais eficientes, através da tecnologia LED. Tabela 31 - Tipos de luminárias que se propõe instalar no interior do edifício. Tipo de luminárias Lâmpadas LED 20 W Lâmpadas LED 16 W Lâmpadas LED 10 W Tipo de espaços Anexo - 1 - SalaAula5 - 23 -
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 116 6.3. MEDIDA DE MELHORIA 3 Energeticamente, a introdução de painéis solares permite que a escola se torne mais autossuficiente em relação à produção de eletricidade, aproveitando a energia solar, uma fonte renovável e abundante, contribuindo diretamente para a redução da dependência de fontes de energia convencionais, resultando na diminuição da pegada de carbono da escola em estudo, promovendo-se assim mais uma vez a sustentabilidade. No que diz respeito às vantagens económicas, a introdução dos painéis permite que a escola consiga gerar energia própria, reduzindo a fatura elétrica da mesma. O REVIT, através de um plug-in, permite avaliar a quantidade de radiação solar disponível para qualquer superfície do projeto do seu edifício e assim utilizar a ferramenta de análise solar no REVIT ou gerar o Insight e visualizar o potencial fotovoltaico no Insight Model Viewer. Como tal, esta informação é útil para determinar a carga de radiação solar, bem como o potencial de geração de energia através de painéis fotovoltaicos em qualquer superfície do seu modelo [79]. Importante referir que no programa não foi possível definir o tipo de painel que se pretendia instalar, permitindo apenas uma análise segundo a área total de painel instalada, tal como é explicado por uma mensagem de aviso deixada pelo programa ao realizar-se o estudo solar, ao selecionar a opção user selection, como se pode ver na figura 91. Figura 91 – Print screen do aviso emitido pelo REVIT quando se usa a opção user selection. Sendo assim é importante saber o que o REVIT considera para o cálculo da produção da energia fotovoltaica. Utiliza um ângulo de inclinação fixo e obtém esse ângulo de inclinação das superfícies do modelo que inclui para a análise, definidas no separador das definições do estudo solar, exibidas na figura seguinte [80]:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 117 Figura 92 – Print screen das definições detalhadas para o cálculo da produção da energia fotovoltaica no REVIT. Em relação ao tipo de painel escolhido, o REVIT apresenta apenas 3 tipos de painéis diferentes, como se pode verificar na figura 93: Figura 93 – Print screen dos tipos de painéis fotovoltaicos disponibilizados pelo REVIT. Em relação ao tipo de painel escolhido, 16% $2,86/Installed Watt, optou-se por esta opção uma vez que estes painéis se revelam mais económicos do que os restantes no que diz respeito ao investimento inicial, mas também visto que apresentam o período de retorno mais baixo, isto é, um período de retorno de 9 anos. Descartou-se o painel do tipo 18,6% $3,06/Installed Watt devido ao maior investimento necessário, uma vez que apresenta os mesmos anos de retorno da escolha referida anteriormente. Por seu lado, o painel do tipo 20,4% $3,47/Installed Watt apesar de maximizar a eficiência e a produção de energia, apresenta um período de retorno de 11 anos. Assim sendo, de maneira a otimizar os consumos energéticos propõe-se a instalação de painéis fotovoltaicos de área total ocupada de 59 𝑚2, orientados a Sul e com uma inclinação de 5°. Relativamente ao investimento necessário, o REVIT determina que será de 20619 €, uma vez que demorará 9 anos a completar o retorno, considerando as informações relativas
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 118 nas figuras anteriores expostas, mas também considerando os resultados obtidos na figura seguinte: Figura 94 – Print screen dos resultados obtidos através do estudo solar realizado no REVIT. O Insight Solar Analysis com REVIT utiliza o modelo solar Perez para o cálculo dos resultados, sendo este modelo utilizado pelo National Renewable Energy Lab (NREL) e pela sua ferramenta PVWatts®, como tal os resultados obtidos através da Insight Solar Analysis foram validados diretamente pelo NREL [81]. No entanto, a energia produzida por sistemas solares térmicos ou fotovoltaicos no âmbito do SCE deve ser calculada através do software SCE.ER [82]. Assim sendo, recorre-se a este software de maneira a validar os valores obtidos relativamente à introdução dos painéis fotovoltaicos, visto que, devido ao crescimento exponencial deste mercado tem resultado numa redução dos preços relativamente aos painéis fotovoltaicos assim como um aumento da eficiência destes, havendo avanços constantes nesta tecnologia, originando o aumento da diversidade destes bem como dos fornecedores presentes no mercado. Assim sendo, de forma a otimizar os consumos energéticos propõe-se a instalação de painéis fotovoltaicos LONGI - Painel monocristalino 445W, da série HI-MO X6 Scientist, tendose definido este mesmo modelo no software SCE.ER como se pode observar na figura seguinte:
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 119 Figura 95 - Print screen da definição do painel fotovoltaico escolhido no SCE.ER. Na definição do perfil de consumo elétrico do edifício devem apenas ser considerados os consumos de energia final dos usos regulados (aquecimento e arrefecimento ambiente, preparação de água quente sanitária e ventilação) alimentados por eletricidade [83]. Posteriormente determina-se a estimativa da produção do sistema solar fotovoltaico correspondente, no software de cálculo, ao campo autoconsumo (AC), de acordo com a figura seguinte [83]. Figura 96 - Print screen dos resultados obtidos relativamente ao painel escolhido no SCE.ER. Como se pode observar através da figura 96, com a introdução de instalação de painéis fotovoltaicos LONGI - Painel monocristalino 445W, da série HI-MO X6 Scientist, com 28 módulos, área total ocupada de 60 𝑚2 e potência nominal de 6,2 kW, colocados na cobertura do edifício, orientados a sul com uma inclinação de 5º. O montante de investimento estimado para esta medida de melhoria é de 9000€. Primeiramente, estabelece-se uma comparação entre os resultados obtidos na figura 96 com os resultados da figura 94, verificando-se assim uma grande diferença relativamente à
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 120 energia produzida através dos painéis fotovoltaicos no estudo solar no REVIT e no SCE.ER para uma área instalada de painéis fotovoltaicos bastante semelhante. Assim sendo, ao nível da medida de melhoria vai-se considerar os valores obtidos no software SCE.ER. Com a aplicação desta medida prevê-se uma produção de 3864 kWh/ano de energia através dos painéis fotovoltaicos, o que se traduz aproximadamente em 645,3€/ano de poupança, considerando o custo da energia elétrica de 0,167 €/kWh. Logo, ao realizar-se o investimento nos painéis, a escola estaria a gerar a sua energia própria, eliminando assim os custos elétricos. Tendo em consideração que os painéis fotovoltaicos apresentam uma vida útil média de 25 anos, esta medida demoraria 13,9 anos a amortizar o investimento inicial realizado. 6.4. MEDIDA DE MELHORIA 4 O sistema de aquecimento existente é efetuado através de radiadores elétricos, no entanto, nesta medida de melhoria prevê-se a substituição do sistema existente por um sistema de aquecimento ambiente centralizado a biomassa (estilha e pellets) constituído por uma caldeira de água quente com uma potência nominal de 80 kW, com alimentação automática de biomassa e dissipação de calor através de radiadores distribuídos pelos locais a tratar. Pretende-se que esta mesma caldeira também assegure as necessidades de AQS do edifício. Importante realçar que neste software, relativamente aos sistemas elétricos, a eficiência destes é considerada igual a 1. Quando se trata de analisar o impacto deste tipo de sistemas nos consumos de energia e no carbono operacional, com base nas capacidades atuais do Insight, segue-se a seguinte abordagem: Depois de simular o projeto no Insight, criou-se um fator de conversão personalizado para traduzir os radiadores elétricos no sistema de aquecimento centralizado, utilizando-se um fator de conversão para biomassa de 0,5.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 121 Figura 97 – Print screen do fator de conversão personalizado relativo para a biomassa no Insight. Relativamente à eficiência global do sistema, tem de se ter em consideração a eficiência da caldeira a biomassa, sendo a sua eficiência considerada de 80%. Como tal, foi criado outro fator personalizado no Insight de modo a representar esta mesma eficiência. Figura 98 – Print screen do fator personalizado criado relativo à eficiência da caldeira no Insight. Relativamente à produção de AQS, sabe-se através das faturas referentes à escola em estudo que o consumo de gás representa aproximadamente 42% do consumo total de gás. Como já referido anteriormente, o Insight não faz a distinção entre os tipos de consumos, considerando todos como elétricos. Assim sendo, a percentagem de gás destinada para a produção de AQS representa 12,65% do valor de energia elétrica determinado pelo programa. Como tal e considerando o fator de conversão do gás para biomassa de 0,5, criou-se também um fator personalizado para a biomassa destinada a AQS.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 122 Figura 99 – Print screen do fator de conversão relativamente à biomassa para as necessidades de AQS no Insight. Ao definir tal fator, estabelece-se métricas personalizadas como EUI Biomassa para comparar o novo sistema com o atual. Na nova métrica personalizada, começando pela Intensidade Anual de Utilização de Energia (EUI) pronta a utilizar, multiplica-se a componente de aquecimento pelo fator relativo à biomassa bem como à eficiência da caldeira, sendo assim possível analisar a partir dos radiadores elétricos, representados pela componente de aquecimento. Figura 100 – Print screen do resultado obtido relativamente ao consumo de energia ao aplicar esta medida no Insight.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 123 Logo, com a aplicação desta medida, prevê-se uma redução do consumo de energia elétrica de 6072,7 kWh/ano e de 8015,7 kWh/ano de gás, sendo agora consumida biomassa. Como se entende pela figura acima apresentada, o resultado para a Intensidade Anual de Utilização de Energia, EUI, passou de 71,54 kWh/𝑚2 como ilustrado na figura 61, para 66,67 kWh/𝑚2. Assim sendo houve uma descida de 5223,22 kWh, ou seja, era previsto um consumo de 15302,9 kWh de biomassa que corresponde ao total de energia poupado entre eletricidade e gás, no entanto devido à redução ilustrada na figura acima, estabelece-se que o consumo de biomassa será de 10079,7 kWh. O valor estimado de investimento total para a instalação do sistema centralizado de aquecimento ambiente a biomassa é cerca de 30 000 €. Considerando o custo da eletricidade como 0,167 €/kWh, prevê-se uma poupança de 1014,14 € a nível elétrico, 1202,35 € relativamente ao gás, com 0.15 €/kWh de gás, gerando uma poupança anual de 2216,5 €. Considerando o custo da energia produzida por biomassa de 0,05 €/kWh, irá ter um custo anual de 504 €. Assim sendo, esta medida irá produzir uma poupança anual de 1712,5 €. 6.5. IMPLEMENTAÇÃO INTEGRAL DAS MEDIDAS DE MELHORIA Considerando as medidas melhorias anteriormente mencionadas, optou-se por apenas três medidas, as que se revelam energeticamente e economicamente viáveis. Assim sendo, descartou-se a MM2, relativamente à aplicação de isolamento térmico em poliuretano pois o investimento inicial é muito elevado a comparar com o retorno a nível energético que se obteria. Relativamente à integração de todas as medidas de melhoria em conjunto obtêm-se o valor de 56,31 kWh/𝑚2relativamente ao consumo anual de energia do edifício em estudo, como está presente na figura 101.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 124 Figura 101 - Print screen do resultado obtido relativamente ao consumo de energia ao aplicar as diversas medidas em conjunto no Insight. Estabelecendo uma comparação entre a figura acima apresentada e a figura 61, verifica-se uma poupança anual total de 15,23 kWh/𝑚2, isto é, 16334,6 kWh. Sabe-se que a poupança ao nível do gás foi de 8015,7 kWh/ano, sendo a poupança em eletricidade de 8318,9 kWh/ano. Considerando ainda a poupança energética através dos painéis fotovoltaicos instalados, obtém-se uma poupança anual total de 12181,1 kWh/ano de eletricidade e 8015,7 kWh/ano de gás, o que se traduz em numa poupança a nível económico de 3236,6€, considerando o €/kWh igual ao referido anteriormente. Assim, a tabela 33 apresenta os resultados, em termos de investimentos, consumos, e retorno económico para a combinação mencionada.
Estudo do Desempenho Energético de um Edifício Escolar com recurso ao BIM 125 Tabela 33 – Comparação dos resultados das medidas de melhoria estudadas. Sistema MM1 MM3 MM4 Medidas em conjunto Investimento [€] 3463 9000 30000 42463 Redução do consumo de energia final [kWh/ano] 10535,5 3864 6072,7 eletri. 8015,7 gás 12181,1 eletri. 8017,5 gás Redução de energia primária (eletricidade) [(kWhEP/kWh)] 26338,8 9660 15181,8 30452,8 Redução de energia primária (combustíveis) [(kWhEP/kWh)] - - 8015,7 8017,5 Redução de emissões de 𝐶𝑂2 [(kgCO2/kWhEP)] 3792,8 1391 3548,85 5747,9 Poupança anual [€] 1759,42 645,3 1712,5 3236,6 Período de retorno [anos] 2 13,9 17,5 13,1 Logo, a implementação das medidas de melhoria em conjunto resulta numa redução de cerca de 26% no consumo total anual de energia com um período de retorno de 13 anos e 2 meses. No entanto, esta redução não é o único benefício proveniente da implementação das medidas mencionadas, uma vez que existe um benefício ambiental a partir da redução da emissão de gases com efeito de estufa, contribuindo assim para a mitigação das mudanças climáticas e redução da poluição promovendo assim a preservação do meio ambiente e da biodiversidade bem como a diminuição dos impactos negativos na saúde humana.