SIMULAO ENERGTICA DE PELCULAS EM ENVIDRAADOS

Jlia Oliveira Pereira

Dissertao para a obteno do grau de Mestre em

Engenharia Civil

Orientadores: Professor Doutor Antonio Heleno Domingues Moret Rodrigues

Professora Doutora Maria da Glria de Almeida Gomes

Jri

Presidente: Professor Doutor Joao Pedro Rama Ribeiro Correia

Orientador: Professora Doutora Maria da Glria de Almeida Gomes

Vogal: Doutor Antnio Jos Costa dos Santos

Novembro de 2015

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So many of our dreams at first seem impossible, then they seem improbable, and then,

when we summon the will, they soon become inevitable.

By Christopher Reeve

ii

iii

Agradecimentos

O presente trabalho contou com a ajuda de inmeras pessoas, a quem desejo expressar os meus sinceros

agradecimentos.

Em particular, gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Professor Antnio Moret Rodrigues e a

Professora Maria da Glria Gomes, pela disponibilidade, pacincia e permanente acompanhamento

durante toda a realizao deste trabalho.

Ao scio gerente da empresa Impersol, o Carlos Miguel, pelo apoio, disponibilidade na recolha de

informao e aconselhamento tcnico sobre o tema.

Por fim, e no menos importante, quero agradecer minha famlia a aos meus amigos por toda a pacincia

e apoio prestado. A todos eles o meu muito obrigado.

iv

v

Resumo

Devido s condies climticas extremas e com o objectivo de reduzir a utilizao de gases de efeito estufa

por meio do consumo de energia, este trabalho explora o impacto do uso de pelculas de controlo solar em

envidraados. Numa primeira fase, foi efectuado um estudo do impacto de pelculas de aplicao pelo

interior e pelo exterior nas propriedades pticas de diversos tipos de vidro. Os resultados revelam que as

pelculas tm grande influncia sobre o factor solar e a transmitncia visvel dos envidraados e pouca

influncia no coeficiente de transmitncia trmica do vidro, devido reduzida espessura da pelcula.

Numa segunda fase, modelou-se atrves do programa EnergyPlus, um Gabinete no segundo piso no

Instituto Superior Tcnico em Lisboa, calibrando os parmetros do mesmo atravs de dados

experimentais obtidos numa campanha realizada em 2013. Atravs do modelo calibrado foram realizadas

vrias simulaes, variando o tipo de pelcula presente no envidraado e simulando tambm uma situao

do envidraado com estore e sem estore, para a estao de aquecimento e de arrefecimento. Destas, foram

recolhidos dados de iluminncia, de consumo com iluminao no centro do gabinete, de temperatura

interior e de necessidades energticas com aquecimento e arrefecimento. Os resultados obtidos, aps uma

anlise dos dados do desempenho trmico e energtico, revelaram o potencial das pelculas de controle

solar na reduo das necessidades energticas com arrefecimento do Gabinete de estudo. Foi possvel

concluir tambm que as necessidades energticas com aquecimento e o consumo com iluminao

aumentam. No entanto, a reduo das necessidades totais com arrefecimento compensa o aumento das

necessidades totais com aquecimento. Conclui-se que as necessidades nominais anuais de energia

primria do Gabinete so bastante inferiores para um envidraado com pelcula quando comparadas com

as obtidas para a situao do envidraado com estore e sem pelcula, bem como do envidraado sem

estore e sem pelcula.

Palavras-chave: Pelculas de controlo solar, simulao trmica e energtica de edifcios, EnergyPlus,

desempenho trmico e energtico, necessidades totais de energia

vi

vii

Abstract

Due to the extreme climatic conditions, and in order to reduce the use of greenhouse gases through energy

consumption, this dissertation explores the impact of the use of a solar control window film in terms of

energy efficiency in buildings. Initially, it was conducted a study on how window solar control films

influence the optical properties of various types of glass. The results showed that window control films

have a great influence on the solar factor and the visible transmittance of the glass and almost no

influence on the solar heat coefficient, due to the reduced thickness of the films. In a second phase of this

study, it was conducted.

a sensitivity modular analysis of an office on the second floor of Instituto Superior Tcnico in Lisbon, using

the software EnergyPlus. Experimental data from a campaign that took place in 2013 was used to

calibrate the parameters. Simulations were made using different types of window films and also using

blinds without window films, for the heating and cooling seasons. After a thermal and energetic analysis of

the results in actual working conditions, the window films showed promising results in reducing the

cooling energy demand of the Office during the cooling season. It was also possible to conclude that the

heating energy demand in the heating season and the consumption with illumination throughout the year

increased. However, the reduction in cooling energy demand in the cooling season was much higher than

the increase in heating energy demand in the heating season. Therefore, higher energy savings throughout

the year are achieved with the use of solar window films compared to the use of blinds.

Keywords: Solar control window film, EnergyPlus, thermal and energy simulation of buildings, heating

and cooling energy demand, energy consumptions reduction

viii

ix

ndice

Agradecimentos .............................................................................................................................. iii

Resumo ................................................................................................................................................. v

Abstract ............................................................................................................................................. vii

1. Introduo .................................................................................................................................. 1 1.1 Enquadramento .................................................................................................................................... 1 1.2 Objectivos ............................................................................................................................................... 4 1.3 Organizao do Trabalho .................................................................................................................. 5

2. Pelculas de Controlo Solar em Envidraados ............................................................... 7 2.1 Conforto Trmico ................................................................................................................................. 8

2.1.1 Envolvente de um Edifcio ....................................................................................................................... 8 2.1.1.1 Ventilao ................................................................................................................................................................... 9 2.1.1.2 Orientao da fachada ........................................................................................................................................... 9 2.1.1.3 Inrcia Trmica ...................................................................................................................................................... 10 2.1.1.4 rea de Envidraado ............................................................................................................................................ 11 2.1.1.5 Sombreamento como Soluo de Proteco Solar ................................................................................. 12

2.1.2 Variveis Climticas ................................................................................................................................. 13 2.1.2.1 Radiao Solar e Geometria Solar .................................................................................................................. 13 2.1.2.2 Temperatura do Ar ............................................................................................................................................... 14 2.1.2.3 Humidade ................................................................................................................................................................. 14 2.1.2.4 Vento ........................................................................................................................................................................... 14

2.1.3 Elementos Transparentes nas Fachadas ......................................................................................... 15 2.2 Pelculas ............................................................................................................................................... 16

2.2.1 Contexto Histrico .................................................................................................................................... 16 2.2.2 Tipos de Pelculas Existentes no Mercado Portugus ................................................................ 17 2.2.3 Constituio Tpica de uma Pelcula de Controlo Solar ............................................................. 18 2.2.4 Processo de Fabrico .................................................................................................................................. 19 2.2.5 Simulao Energtica de Pelculas em Envidraados ................................................................. 20 2.2.6 Exemplos Prticos de Aplicao de Pelculas em Edifcios ...................................................... 21

3. Propriedades pticas de Envidraados com Pelculas ............................................ 27 3.1. Optics6 ................................................................................................................................................. 27

3.1.1. Descrio do Programa .......................................................................................................................... 27 3.2. Window ................................................................................................................................................ 29

3.2.1. Descrio do Programa .......................................................................................................................... 29 3.3. Validao dos Programas Window 7.3.8 e Optics6 .............................................................. 31 3.4. Casos de Estudo de Vidros com Diferentes Pelculas .......................................................... 32 3.5 Anlise de Resultados para Pelculas pelo Interior....................................................... 35

3.5.1 Influncia no Factor Solar, g.................................................................................................................. 36 3.5.2 Influncia na Transmitncia Visvel, Tvis .......................................................................................... 39 3.5.3 Coeficiente de Transmisso Trmica, U ........................................................................................... 40

3.6 Anlise de Resultados para Pelculas pelo Exterior ...................................................... 41 3.6.1 Influncia no Factor Solar, g.................................................................................................................. 41 3.6.2 Influncia na Transmitncia Visvel, Tvis .......................................................................................... 44 3.6.3 Coeficiente de Transmisso Trmica, U ........................................................................................... 45

4. Descrio do Caso de Estudo e Campanha Experimental ....................................... 47 4.1 Localizao do Caso de Estudo ..................................................................................................... 47 4.2 Modelo Geomtrico 3D em SketchUp ......................................................................................... 48 4.3 Materiais Constituintes ................................................................................................................... 49

x

4.4 Elementos Constituintes do Gabinete ........................................................................................ 50

5. Programa de Simulao EnergyPlus e Validao do Caso de Estudo .................. 51 5.1 Descrio Geral do Programa EnergyPlus ............................................................................... 51 5.2 Parmetros de Entrada do EPLaunch no EnergyPlus .......................................................... 52

5.2.1 Parmetros de Simulao....................................................................................................................... 53 5.2.2 Localizao e Clima ................................................................................................................................... 53 5.2.3 Calendrios .................................................................................................................................................. 55 5.2.4 Elementos das Superfcies ..................................................................................................................... 56 5.2.5 Zonas e Superfcies Trmicas ............................................................................................................... 57 5.2.6 Ganhos Internos de Energia .................................................................................................................. 60 5.2.7 Ventilao ..................................................................................................................................................... 61 5.2.8 Obteno de Dados ................................................................................................................................... 62

5.3 Validao do Modelo ........................................................................................................................ 62 5.3.1 Consideraes de Validao para a Campanha Experimental ................................................ 63 5.3.2 Validao do Caso de Estudo ................................................................................................................ 64

6. Desempenho Energtico de Pelculas em Envidraados ........................................ 67 6.1 Condies de Anlise ....................................................................................................................... 67 6.2 Anlise do Desempenho Energtico de Pelculas em Envidraados para a Estao de Aquecimento .............................................................................................................................................. 68

6.2.1 Pelculas de Aplicao pelo Interior .................................................................................................. 69 6.2.1.1 Anlise de resultados pelculas de aplicao pelo interior ............................................................. 69 6.2.1.5 Dia mais quente e mais frio anlise para todas as pelculas de interior ................................... 71

6.2.2 Pelculas de Aplicao pelo Exterior.................................................................................................. 73 6.2.2.1 Anlise de resultados - pelculas de aplicao pelo exterior ............................................................. 74 6.2.2.2 Dia mais quente e mais frio anlise para todas as pelculas de exterior ................................... 75

6.3 Anlise do Desempenho Energtico de Pelculas em Envidraados para a Estao de Arrefecimento ........................................................................................................................................... 76

6.3.1 Pelculas de Aplicao pelo Interior .................................................................................................. 76 6.3.1.1 Anlise de resultados - pelculas de aplicao pelo interior .............................................................. 77 6.3.1.2 Dia mais quente e mais frio anlise para todas as pelculas de interior ................................... 78

6.3.2 Pelculas de Aplicao pelo Exterior.................................................................................................. 81 6.3.2.1 Anlise de resultados - pelculas de aplicao pelo exterior ............................................................. 81 6.3.2.2 Dia mais quente e mais frio anlise para todas as pelculas de exterior ................................... 82

6.4 Anlise Global do Desempenho de Pelculas de Aplicao pelo Interior e pelo Exterior ........................................................................................................................................................ 83

7. Concluses e Desenvolvimentos Futuros ......................................................................... 85

Referncias Bibliogrficas .......................................................................................................... 89

Anexo A Valores do factor solar, do coeficiente de transmisso trmica e transmitncia visvel de vidros com pelculas de aplicao pelo interior .................... I

Anexo B Metodologia para a Alterao dos Dados Climticos em Formato EPW .. V

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ndice de Figuras Figura 1.1 - Emisso de CO2 devido a actividades humanas entre 1850 e 2012 (Adaptado de IPCC, 2014) .. 1 Figura 1.2 - Consumo anual de energia primria em Portugal (milhares de tep) entre 2000 e 2013

(Pordata, 2015) ............................................................................................................................................................................. 2 Figura 1.3 - Parmetros que influenciam o design de um edifcio (Adaptado de Oral, Gl et al., 2003) .......... 3 Figura 2.1 - Radiao Solar por Orientao de Fachada em Lisboa ao longo do ano (adaptado de Conceitos

Bioclimticos para os Edifcios em Portugal, 2015) ................................................................................................... 12 Figura 2.2 - Estrutura tpica de uma pelcula de controlo solar (adaptado de SkinGlass, 2015) ....................... 18 Figura 2.3 Temperatura mdia perto da clarabia (Adaptado de [113]) ................................................................. 22 Figura 2.4 - Vista area da clarabia do centro comercial Diagonal Mar em Barcelona (Hanita Coatings,

2015) ............................................................................................................................................................................................... 23 Figura 2.5 - Vista Interior da Clarabia do Centro Comercial Diagonal Mar em Barcelona (Hanita Coatings,

2015) ............................................................................................................................................................................................... 23 Figura 2.6 - Fachada do Edifcio Thomas Cook em Zwijnaerde, Blgica (Google Street View, 2015) .............. 23 Figura 2.7 - Fachada Envidraada do Edifcio Thomas Cook em Zwijnaerde, Blgica (Solar Gard, 2015) .... 23 Figura 2.8 Vista Interior da Habitao nos subrbios em Chicago Illinois nos EUA (Solar Gard, 2015) .... 25 Figura 2.9 Vista Exterior da Habitao nos subrbios em Chicago Illinois nos EUA (Solar Gard, 2015) ... 25 Figura 2.10 - Vista exterior da Habitao em Atlanta Gergia, EUA (Llumar, 2015) ............................................. 25 Figura 2.11 -Vista da fachada principal da Habitao em Atlanta Gergia, EUA (Llumar, 2015) ...................... 25 Figura 3.1 - Mtodo de clculo das caractersticas da pelcula sem o envidraado no Optics6 (adaptado de

Window 5.0 User Manual, 2001)......................................................................................................................................... 28 Figura 3.2 - Passos a seguir para a criao de um vidro com pelcula no Optics 6 ................................................... 29 Figura 3.3 - Resultado final de um vidro simples com pelcula pelo interior ............................................................. 29 Figura 3.4 - Resultado final de um vidro duplo com pelcula pelo interior ................................................................. 29 Figura 3.5 - Ligao entre a base de dados do Optics6 e do Window 7.3.8 ................................................................. 30 Figura 3.6 - Importar a base de dados do Optics6 e do Window 7.3.8........................................................................... 31 Figura 3.7 - Cdigo de produto da pelcula (adaptado de Performance Window Film, 2014) ........................... 34 Figura 3.8 - Valores do factor g para vidros simples e laminados sem pelcula e com sete pelculas de

aplicao pelo interior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a vermelho, respectivamente) ....................................................................................................................................................................... 36

Figura 3.9 - Valores do factor g para vidros duplos sem pelcula e com sete pelculas de aplicao pelo interior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a vermelho, respectivamente) ..................... 37

Figura 3.10 - Valores do factor g para vidros duplos com proteco solar sem pelcula e com sete pelculas de aplicao pelo interior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a vermelho, respectivamente) ....................................................................................................................................................................... 38

Figura 3.11 - Valores de transmitncia visvel para vidros simples e laminados sem pelcula e com sete pelculas de aplicao pelo interior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a vermelho, respectivamente) ....................................................................................................................................................................... 39

Figura 3.12 - Valores do factor g para vidros simples e laminados sem pelcula e com seis pelculas de aplicao pelo exterior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a verde, respectivamente) . 41

Figura 3.13 - Valores do factor g para vidros duplos sem pelcula e com seis pelculas de aplicao pelo exterior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a verde, respectivamente) ............................. 42

Figura 3.14 - Valores do factor g para vidros duplos com proteco solar sem pelcula e com seis pelculas de aplicao pelo exterior obtidos atravs do Window 7.3.8 e do Optics5 (com os valores algbricos da situao sem pelcula e da situao com pelcula R20 indicados a azul e a verde, respectivamente) ............................................................................................................................................................................................................ 43

Figura 4.1 - Localizao do Pavilho de Engenharia Civil e Arquitectura e a sua orientao.............................. 47 Figura 4.2 - Vista da Fachada Este do Gabinete A ( esquerda e do Gabinete B ( direita) .................................. 47 Figura 4.3 - Planta tipo de dois gabinetes do 2piso do Pavilho de Engenharia Civil e Arquitectura na

Fachada Este................................................................................................................................................................................. 48 Figura 4.4 - Modelo Geomtrico do Gabinete de Estudo utilizando o Google SketchUp ........................................ 48

xii

Figura 4.5 - Modelo Geomtrico com particular importncia no sombreamento atravs de arvores utilizando o Google SketchUp ............................................................................................................................................... 48

Figura 4.6 - Parede Este ...................................................................................................................................................................... 50 Figura 4.7 - Parede Oeste ................................................................................................................................................................... 50 Figura 4.8 - Paredes Norte e Sul ...................................................................................................................................................... 50 Figura 4.9 - Laje de cocos de 40cm de altura total com forra de lajetas de 4cm e acabamento em corticite

de 4mm ........................................................................................................................................................................................... 50 Figura 5.1 - Aparncia do IDF-Editor do EP-Launch, EnergyPlus .................................................................................... 52 Figura 5.2 - Aparncia do EP-Launch do EnergyPlus ............................................................................................................ 52 Figura 5.3 - Interface grfica do Google SketchUp com o OpenStudio SketchUp plug-in instalado na barra

de ferramentas ............................................................................................................................................................................ 52 Figura 5.4 - Grupo Simulation Parameters ................................................................................................................................ 54 Figura 5.5 - Objecto SimulationControl ....................................................................................................................................... 54 Figura 5.6 - Objecto Building ............................................................................................................................................................ 54 Figura 5.7 - Objecto ShadowCalculation ..................................................................................................................................... 54 Figura 5.8 - Objecto SurfaceConvectionAlgorithm:Inside and outside .......................................................................... 54 Figura 5.9 - Grupo Location and Climate ..................................................................................................................................... 54 Figura 5.10 - Objecto Site:Location ................................................................................................................................................ 54 Figura 5.11 - Objecto RunPeriod para Julho .............................................................................................................................. 55 Figura 5.12 - Grupo Schedules ......................................................................................................................................................... 55 Figura 5.13 - Objecto ScheduleCompact ...................................................................................................................................... 55 Figura 5.14 - Objecto ScheduleTypeLimits ................................................................................................................................. 55 Figura 5.15 - Grupo Surface Construction Elements .............................................................................................................. 56 Figura 5.16 - Objecto Material .......................................................................................................................................................... 57 Figura 5.17 - Objecto Material:AirGap .......................................................................................................................................... 57 Figura 5.18 - Objecto Material:Glazing ......................................................................................................................................... 57 Figura 5.19 - Objecto Material:Blind ............................................................................................................................................. 57 Figura 5.20 - Objecto Construction ................................................................................................................................................ 57 Figura 5.21 Objecto GlobalGeometryRules ............................................................................................................................. 59 Figura 5.22 - Grupo ThermalZones and Surfaces .................................................................................................................... 59 Figura 5.23 - Objecto Zone ................................................................................................................................................................. 59 Figura 5.24 - Objecto BuildingSurface:Detailed ....................................................................................................................... 59 Figura 5.25 - Objecto FenestrationSurface:Detailed .............................................................................................................. 59 Figura 5.26 - Objecto WindowProperty:ShadingControl .................................................................................................... 59 Figura 5.27 - Objecto Shading:Site:Detailed .............................................................................................................................. 59 Figura 5.28 - Objecto Shading:Zone:Detailed ............................................................................................................................ 60 Figura 5.29 - Grupo Internal Gains................................................................................................................................................. 60 Figura 5.30 - Objecto People ............................................................................................................................................................. 61 Figura 5.31 - Objecto Lights para campanha de Outubro e Novembro ........................................................................ 61 Figura 5.32 - Objecto ElectricEquipment .................................................................................................................................... 61 Figura 5.33 - Objecto ZoneInfiltration:DesignFlowRate ...................................................................................................... 61 Figura 5.34 - Objecto ZoneInfiltration:DesignFlowRate para a campanha de Julho................................................ 61 Figura 5.35 - Grupo Outout Reporting ......................................................................................................................................... 62 Figura 5.36 - Objecto Outout Reporting....................................................................................................................................... 62 Figura 5.37- Objecto Output:Variable ........................................................................................................................................... 62 Figura 5.38 - Objecto Output:Diagnostics ................................................................................................................................... 62 Figura 5.39 - Relao entre a radiao difusa e a radiao global horizontal para um ano tipo em Lisboa . 63 Figura 5.40 - Comparao da temperatura interior obtida pela simulao em EnergyPlus com a medida

experimentalmente entre 25 a 31 de Julho .................................................................................................................... 64 Figura 5.41 - Comparao da temperatura interior obtida pela simulao em EnergyPlus com a medida

experimentalmente entre 21 a 27 de Outubro ............................................................................................................. 65 Figura 5.42 - Comparao da temperatura interior obtida pela simulao em EnergyPlus com a medida

experimentalmente entre 24 a 30 de Novembro ......................................................................................................... 65 Figura 6.1 - Agrupamento de pelculas de interior e de exterior conforme os valores do factor solar, g, e da

transmitncia visvel, tvis, do conjunto vidro-pelcula, para um vidro de 6 mm ............................................ 68 Figura 6.2 - Valores mdios dirios para o dia mais quente e o dia mais frio de: consumo com iluminao

(W), Iluminncia (lux), temperatura interior (oC), Necessidades de energia com aquecimento (W), para as situaes com estore, sem estore e para sete pelculas de aplicao pelo interior ...................... 72

xiii

Figura 6.3 - Consumo de electridade (W), Iluminncia (lux), Consumo electricidade (W), Gastos com arrefecimento (W) com estore e sem estore e para as vrias pelculas, para dois dias tipo, na estao de arrefecimento ........................................................................................................................................................................ 79

Figura 6.4 Desempenho energtico do Gabinete de estudo com aplicao de pelculas pelo interior do envidraado (com os valores algbricos da energia primria indicados na coluna respectiva) ............ 83

Figura 6.5 Desempenho energtico do Gabinete de estudo com aplicao de pelculas pelo exterior do envidraado (com os valores algbricos da energia primria indicados na coluna respectiva) ............ 84

xiv

xv

ndice de Tabelas

Tabela 2.1- Resumo dos estudos de simulao energtica com pelculas .................................................................... 21 Tabela 2.2 - Resumo de casos de aplicao de pelculas em envidraados de edifcios comerciais ................. 22 Tabela 2.3 - Resumo de casos de aplicao de pelculas em envidraados de edifcios residenciais .............. 24 Tabela 3.1 - Tipo de vidro analisados, as suas caractersticas e finalidades ............................................................... 32 Tabela 3.2 - Propriedades de sete pelculas de aplicao pelo interior......................................................................... 35 Tabela 3.3 - Propriedades de seis pelculas de aplicao pelo exterior ........................................................................ 35 Tabela 3.4 - Variao do valor g (%) para vidros simples e laminados com aplicao de sete pelculas pelo

interior ............................................................................................................................................................................................ 36 Tabela 3.5 - Variao do valor g (%) para vidros duplos com aplicao de sete pelculas pelo interior........ 38 Tabela 3.6 - Variao do valor g (%) para vidros duplos com proteco solar com aplicao de sete

pelculas pelo interior .............................................................................................................................................................. 39 Tabela 3.7 - Resultados da transmitncia visvel para vidros com diferentes pelculas de aplicao pelo

interior ............................................................................................................................................................................................ 40 Tabela 3.8- Variao do factor solar g (%) para vidros simples e laminados com seis pelculas pelo exterior

............................................................................................................................................................................................................ 41 Tabela 3.9 - Variao do valor g (%) para vidros duplos com aplicao de seis pelculas pelo exterior ....... 42 Tabela 3.10 - Variao do valor g (%) para vidros duplos com proteco solar com aplicao de seis

pelculas pelo exterior ............................................................................................................................................................. 43 Tabela 3.11 - Resultados da transmitncia visvel para vidros com diferentes pelculas exteriores .............. 44 Tabela 4.1 - Materiais Constituintes do Gabinete de Estudo .............................................................................................. 49 Tabela 5.1 - Valor de RMSE e de MBE para a campanha de Julho, Outubro e Novembro ...................................... 65 Tabela 6.1 - Mdias dirias do consumo com iluminao (Consumo Ilum.), de iluminncia no centro do

gabinete (Iluminncia), de temperatura interior (Temperatura) e das necessidades de energia com aquecimento (Nec. aquecimento), para a estao de aquecimento para pelculas de interior ............... 69

Tabela 6.2 - Mdias dirias do consumo com iluminao (Consumo Ilum.), de iluminncia no centro do gabinete (Iluminncia), de temperatura interior (Temperatura) e das necessidades de energia com aquecimento (Nec. aquecimento), para a estao de aquecimento para pelculas de exterior .............. 74

Tabela 6.3 - Mdias dirias do consumo com iluminao (Consumo Ilum.), de iluminncia no centro do gabinete (Iluminncia), de temperatura interior (Temperatura) e das necessidades de energia com arrefecimento (Nec. arrefecimento), para a estao de arrefecimento para pelculas de interior ....... 77

Tabela 6.4 - Mdias dirias do consumo com iluminao (Consumo Ilum.), de iluminncia no centro do gabinete (Iluminncia), de temperatura interior (Temperatura) e das necessidades de energia com arrefecimento (Nec. arrefecimento), para a estao de arrefecimento para pelculas de exterior ....... 81

xvi

xvii

Simbologia

GEE: Gases de Efeito de Estufa CO2: Dixido de Carbono CH4: Metano N2O: xido Nitroso ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers UE: Unio Europeia RCCTE: Regulamento das Caractersticas de Comportamento Trmico de Edifcios IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change INETI: Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovao U: Coeficiente de transmisso trmica g: Factor solar ASP: Adesivos Sensveis Presso UV: Ultra-Violeta R20: R20 SI SR HPR R35: R35 SI SR HPR R50: R50 SI SR HPR N1020: N1020 SR CDF N1035: N1035 SR CDF Lep30: LEP 35 SR CDF Lep70: LEP 70 SR CDF PR70: PR 70 EXT M: Mdia Dp: Desvio Padro

1

1. Introduo

1.1 Enquadramento

Num contexto mundial, os estudos e as preocupaes com as alteraes climticas esto cada vez

mais presentes no dia a dia da populao. As emisses de gases de efeito de estufa (GEE), como o dixido

de carbono (CO2), o metano (CH4) e o xido nitroso (N2O) aumentaram desde a poca pr-industrial

(1950), impulsionados pelo largo crescimento econmico e populacional, atingindo valores nunca antes

registados, conforme se pode observar pela Figura 1.1. Os cientistas afirmam com 95% de certeza que o

aquecimento global registado no ltimo sculo devido a actividade humana, tendo um impacto muito

significativo nos continentes e nos oceanos (IPCC, 2014).

O sector industrial um dos grandes responsveis pela emisso de GEE e tem-se mostrado um

dos sectores com mais custos efetivos na reduo de emisso de GEE (IPCC, 2014). Segundo o 5 reltorio

sntese sobre alteraes climticas a quantificao de GEE possvel e traduz-se atravs da quantificao

de processos de produo, modificao, transporte, armazenamento, reciclagem ou destruio. Por este

motivo, e por ser to extensa a diversidade de produtos e bens de consumo que a civilizao produz,

necessrio sistematizar, de forma acessvel a todos, os mtodos de quantificao de GEE provenientes

desta cadeia de consumo. Esta a principal ferramenta para se convocar estratgias de maior

sustentabilidade, de reduo de desperdcios e diminuio de gastos energticos.

Estudos recentes realizados em Portugal referem que o clima portugus sofreu, ao longo do

sculo XX, uma evoluo do seu sistema climtico, caracterizado por trs perodos de mudana da

temperatura mdia, com um aumento da temperatura entre 1910 e 1945, uma diminuio entre 1946 e

1975 e por um aumento mais acelerado entre 1976 e 2000. Estas variaes no sistema climtico

portugus seguem a mesma tendncia da observada a nvel global. De facto, as sries temporais de

temperatura mxima e mnima apresentam uma tendncia que se manifesta a nvel global; ambas

aumentaram no ltimo quarto de sculo e na mesma proporo e, mais recentemente, verificou-se que o

Emisso de CO2 devido a actividades humanas

Devido a combustveis fsseis

Devido a desflorestao e outros usos da terra

Em

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Ano

Figura 1.1 - Emisso de CO2 devido a actividades humanas entre 1850 e 2012 (Adaptado de IPCC, 2014)

2

valor da temperatura mnima aumentou em valores superiores aos da temperatura mxima mdia, o que

conduz a uma diminuio da amplitude trmica (Agncia Portuguesa do Ambiente, 2015).

Segundo a Direco Geral de Energia e Geologia (2012), Portugal tem vindo a reduzir a sua

dependncia energtica do exterior desde 2005, passando de 88,8% de energia importada para 79,4% em

2012. Do ponto de vista da energia primria, houve um aumento do gs natural e das energias renovveis

e uma diminuio no consumo do petrleo e do carvo entre 2000 e 2013 (Pordata, 2015). Na Figura 1.2

pode-se observar a evoluo dos consumos anuais com energia primria em Portugal.

Figura 1.2 - Consumo anual de energia primria em Portugal (milhares de tep) entre 2000 e 2013 (Pordata, 2015)

O sector da construo responsvel por cerca de 40% do consumo anual da energia mundial, o

que representa cerca de 30% da emisso dos gases de efeito de estufa no nosso planeta (United Nations

Environment Programme, 2009). Desta forma, o sector da construo um dos potenciais candidatos na

realizao de mudanas significativas em termos de custo benefcio para a reduo da concentrao dos

GEE na atmosfera. Um dos pontos chave deste relatrio que o sector da construo tem o menor custo

benefcio na reduo significativa dos GEE, ao contrrio de outros sectores como a indstria.

Com as preocupaes crescentes com a emisso de GEE novas directivas tm surgido. A directiva

de 2010/31/UE (Directive 2010/31/UE, 2010) vem vincular a importncia de se reduzir os consumos de

energia no sector da construo estabelecendo uma metodologia de clculo do desempenho energtico

dos edifcios e das fraes autnomas. De acordo com esta directiva, devem ser estabelecidos requisitos

respeitantes: aplicao de requisitos mnimos para o desempenho energtico dos edifcios e das fraes

autnomas novas; aplicao de requisitos mnimos para o desempenho energtico dos edifcios

existentes, fraes autnomas e componentes de edifcios sujeitos a grandes renovaes; elementos

construtivos da envolvente dos edifcios com impacto significativo no desempenho energtico da

envolvente quando forem renovados ou substitudos, e sistemas tcnicos dos edifcios quando for

instalado um novo sistema ou quando o sistema existente for substitudo ou melhorado; aos planos

nacionais, para aumentar o nmero de edifcios com necessidades quase nulas de energia; certificao

energtica dos edifcios ou das fraes autnomas; inspeo regular das instalaes de aquecimento e de

0

2

4

6

8

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12

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16

18

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Energias Renovveis

2 Md. mv. per. (Carvo)

2 Md. mv. per. (Petrleo)

2 Md. mv. per. (Gs Natural)

2 Md. mv. per. (Energias Renovveis)

3

ar condicionado nos edifcios; aos sistemas de controlo independente dos certificados de desempenho

energtico e dos relatrios de inspeo.

Em 2012, publicada a directiva 2012/27/UE (Directive 2012/27/UE, 2012) que vem reforar a

necessidade de se atingir 20% de eficincia energtica at 2020 pelos estados membros da UE,

desenvolvendo novas medidas que preveem a eliminao de obstculos e deficincias no mercado da

energia bem como objectivos nacionais indicativos em matria de eficincia energtica para 2020.

Na arquitectura moderna, o uso de envidraados nas fachadas dos edifcios no residenciais

aumentou significativamente nos ltimos anos. Este aumento deve-se principalmente a caractersticas

estticas que conferem um aspecto visual apelativo e moderno e pela entrada de luz natural nos edifcios,

reduzindo os gastos de energia relativos ao conforto visual na utilizao do mesmo. No entanto, o

aumento dos envidraados nas fachadas colocou presses adicionais nas cargas trmicas contribuindo

para um aumento significativo nos sistemas de arrefecimento e aquecimento elctricos, aumentando a

factura energtica e contribuindo activamente para o aumento da emisso de GEE, especialmente em

regies com veres quentes e prolongados (Faggembauu et al., 2003).

As fachadas desempenham um papel fundamental no desempenho trmico de um edifcio

funcionando como uma barreira entre o ambiente exterior e interior e so concebidas segundo vrios

factores como se pode observar na Figura 1.3. Uma das suas funes mais importantes centra-se no

controlo de factores ambientais externos como a temperatura, a luz natural e o som, mantendo as

condies de conforto na sua utilizao com o mnimo de consumo energtico (Oral, Gl et al., 2003).

Estas questes motivaram o estudo e o desenvolvimento de novas tecnologias para controlo dos

ganhos e perdas de energia em edifcios, como por exemplo, os vidros coloridos, reflectivos, ou de baixa

emissividade, os vidros duplos e os sistemas de sombreamento manual ou automtico.

Todos estes sistemas de reduo de ganhos energticos pelos envidraados implicam uma

reconstruo no edifcio existente ou um planeamento rigoroso durante a fase de projecto para um

Tecnologia

Funcionalidade

Economia

Ambiente Construdo

Scio-Cultural

Componente Fsica

Calor

Luminosidade

Som

Figura 1.3 - Parmetros que influenciam o design de um edifcio (Adaptado de Oral, Gl et al., 2003)

4

correcta aplicao no edifcio. As pelculas de controlo solar podem desempenhar um papel fundamental

no campo da reabilitao de edifcios existentes, melhorando as caractersticas de absoro e reflexo da

radiao solar incidente no envidraado, diminuindo o recurso a sistemas de arrefecimento elctrico e

contribuindo para uma diminuio da emisso dos GEE no sector da construo.

Do ponto de vista estatstico, os dados mais recentes sobre a construo em Portugal apontam

que o parque habitacional do pas cresceu a uma taxa anual mdia superior a 1% at 2008. A partir desse

ano, as taxas de crescimento tm vindo a diminuir, registando um mnimo de 0,3% em 2013 (Instituto

Nacional de Estatstica, 2013). Estes dados realam a importncia que os produtos de reabilitao podem

ter na reduo dos gastos energticos para se atingirem os objectivos da Unio Europeia na estabilizao e

reduo das emisses de GEE no sector da construo.

No presente estudo ser investigado o desempenho de um envidraado com a aplicao de

pelculas de controlo solar nos consumos energticos de um Gabinete de estudo que foi algo de um estudo

experimental realizado em 2013.

1.2 Objectivos Esta dissertao tem como objectivo principal analisar a influncia da utilizao de pelculas de

controlo solar em envidraados do ponto de vista do seu desempenho trmico e energtico. O estudo foi

realizado utilizando o programa Window e Optics para modelar as caractersticas pticas de diferentes

combinaes de pelculas e tipos de envidraados. A avaliao das variaes energticas foi realizada no

programa computacional EnergyPlus, que permite variar parmetros como a rea de envidraado, o tipo

de pelcula no envidraado, o tipo de estore, a orientao do envidraado, a regio climtica, entre outros.

Para a concretizao do objetivo principal foram realizadas diferentes tarefas:

Modelao ptica do desempenho de pelculas em diferentes tipos de vidro com os

programas Optics e Window;

Comparao das propriedades pticas de diferentes sistemas de envidraados com

diversos tipos de pelculas;

Modelao de um gabinete de escritrios com o programa de simulao energtica

EnergyPlus;

Comparao entre medies experimentais e resultados da modelao de modo a validar

o modelo;

Avaliao do consumo com iluminao e das necessidades energticas com aquecimento

e arrefecimento de vrias combinaes de pelculas no envidraado de um gabinete de

escritrios;

Comparao do consumo energtico do envidraado de um gabinete de escritrios sem

pelcula e sem estore, com estore e sem pelcula, e por aplicao de diversas pelculas de

controlo solar sem a utilizao de estore.

5

1.3 Organizao do Trabalho Este trabalho encontra-se dividido em sete captulos e dois anexos, entre os quais se insere este

primeiro captulo de introduo.

O segundo captulo aborda o tema do conforto trmico e os conceitos que lhe esto

intrinsecamente relacionados como o impacto na envolvente de um edifcio e a influncia de variveis

climticas e introduz o tema das pelculas. No tema das pelculas feita uma breve introduo histrica,

apresentando os tipos de pelculas comercializadas em Portugal, a constituio tpica de uma pelcula de

controlo solar, o seu processo de fabrico, uma anlise bibliogrfica de estudos relativos a anlises de

consumos energticos de pelculas em envidraados e, por ltimo, descreve-se quatro casos prticos de

aplicao de pelculas.

O terceiro captulo engloba um estudo realizado utilizando sete tipos de pelculas de aplicao

pelo interior e seis tipos de pelculas de aplicao pelo exterior em vinte vidros diferentes, atravs dos

programas Window e Optics, analisando o desempenho das pelculas nas propriedades pticas dos

envidraados.

No quarto captulo apresenta-se o gabinete caso de estudo, descrevendo a sua localizao, a

modelao 3D no programa Google SketchUp e os materiais e elementos constituintes.

No captulo cinco apresentado o programa EnergyPlus onde so descritos os parmetros de

entrada necessrios para a validao do caso de estudo. Neste captulo tambm apresentado a calibrao

do gabinete de escritrio caso de estudo e so descritas as condies de validao adoptadas.

O sexto captulo tem por finalidade a avaliao do desempenho energtico de sete pelculas de

aplicao pelo interior e de seis pelculas de aplicao pelo exterior utilizando o modelo validado do

Gabinete caso de estudo, variando apenas certos parmetros do programa, nomeadamente, o tipo de

pelcula no envidraado e a utilizao, ou no, de estore.

No stimo captulo so apresentadas as concluses deste trabalho e as propostas para

desenvolvimentos futuros.

No anexo A so apresentados os valores do factor solar, do coeficiente de transmisso trmica e

da transmitncia visvel de vidros com pelculas de aplicao pelo interior e com pelculas de aplicao

pelo exterior.

No anexo B possvel encontrar uma metodologia para a alterao dos dados climticos em

formato epw para utilizar no programa EnergyPlus.

6

7

2. Pelculas de Controlo Solar em Envidraados

Um dos propsitos da engenharia e da arquitetura moderna proporcionar ao homem condies

trmicas apropriadas ao conforto ambiental no interior dos edifcios, independentemente das condies

climticas exteriores. O conceito de conforto no ambiente construdo est relacionado com a sensao de

conforto que um indivduo experiencia relativamente a um acontecimento, sem que sinta preocupao ou

incmodo. Um ambiente confortvel deve proporcionar bem estar e condies satisfatrias de qualidade

aos seus ocupantes aumentando a sua produtividade (Vischer, 2007).

Estatsticas recentes indicam que o consumo energtico dos edifcios aumentou e representa

cerca de 40% do consumo mundial de energia que constitui 30% da emisso de GEE anual (IPCC, 2014).

Por forma a combater esta tendncia, inmeros estudos tm sido conduzidos com o intuito de encontrar

solues para melhorar o desempenho energtico dos edificados, desde modelaes virtuais, estudos de

anlise e desempenho de zonas especficas ou do conjunto total do edifcio e optimizao de materiais ou

medidas a aplicar pr ou ps construo (Huang, 2015). No entanto, o desempenho energtico dos

edifcios envolve uma grande variedade de factores fsicos e sociais combinados com variveis climticas

que tornam este tema numa rea complexa de investigao. Assim, os estudos tm evoludo para

investigaes direcionadas para factores especficos como, por exemplo, o estudo de materiais passveis

de serem usados na envolvente, a orientao das fachadas, sistemas de ventilao natural, dispositivos de

sombreamento, pelculas de controlo solar, entre outros (Huang, 2015).

A utilizao do vidro na construo tem tido uma expresso cada vez mais significativa,

resultando em rcios de envidraado na fachada muito elevados, especialmente em edifcios no

residenciais (Moretti and Belloni, 2015). Isto porque o vidro confere boas caractersticas estticas e

permite a entrada de luz natural contribuindo para poupanas de energia com iluminao elctrica e

melhorando o conforto visual no interior do edifcio. No entanto, os ganhos solares pelos envidraados,

especialmente em climas com veres quentes e prolongados, contribuem de forma muito significativa

para as cargas trmicas de arrefecimento e podem originar problemas de encadeamento, perturbando a

produtividade dos utilizadores.

Segundo a norma EN 15755-1 Glass in building - Adhesive backed polymeric filmed glass Part 1:

Definitions and requirements (2014), um vidro com pelcula polimrica adesiva definido como um vidro

que tem as suas caractersticas e desempenho alterados pela aplicao de uma pelcula polimrica

adesiva. Existem inmeras pelculas no mercado produzidas com o intuito de modificar caractersticas

especificas do vidro como: o factor solar do vidro, g, a transmitncia visivel , Tvis, a emissividade, , a

transmitncia ultra-violeta, UVt, a privacidade, a aparncia (razes estticas), o comportamento perante

um impacto, a segurana, a atenuao das frequncias electomagnticas e a proteo das superfcies do

envidraado.

O presente captulo far uma introduo ao conforto trmico em edificaes, desenvolvendo

temas como a envolvente do edifcio, as variveis climticas e os elementos transparentes nas fachadas.

Seguidamente ser abordado o tema das pelculas em envidraados, onde se apresenta o contexto

histrico, os tipos de pelculas existentes no mercado portugus, a constituio tpica de uma pelcula de

8

controlo solar, o processo de fabrico e, por ltimo, uma anlise bibliogrfica sobre os estudos realizados

sobre o tema e os seus resultados, por forma a se compreender a importncia que este tipo de soluo

pode apresentar na melhoria das condies interiores e exteriores de um edifcio.

2.1 Conforto Trmico

De acordo com a American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers

(2010) - ASHRAE, o conforto trmico define-se como o estado mental que expressa a satisfao do

homem com o ambiente trmico que o circunda. Deste modo, entende-se que a no satisfao do ser

humano pode ser causada por sensao de desconforto tanto pelo calor como pelo frio.

O conforto trmico no um conceito exato, depende sim de uma interao entre o homem e o

meio ambiente que o circunda. Para se analisar o conforto trmico necessrio ter em conta variveis

ambientais quantificveis e variveis pessoais no quantificveis como o estado mental, o metabolismo, o

vesturio e os hbitos pessoais (Mallick, 1996).

Segundo um estudo efectuado em Bangladesh por Mallick (1996) a zona de conforto para as

pessoas desse pas abrange valores de temperatura e de humidade mais elevados do que os ditados pela

ASHRAE. Isto indica que a tolerncia a certas variveis climticas varia conforme a exposio da pessoa, a

longo prazo, a certos tipos de clima.

Outros estudos efectuados na Tailndia (Khedari et al, 2015) demonstraram que o conforto

trmico pode ocorrer para intervalos de temperatura distintos conforme os hbitos da pessoa e a regio

em que vive. As temperaturas mximas de conforto encontradas foram superiores em 4 e 5,5oC para dois

estudos quando comparadas com as temperaturas mximas de conforto referidas pela ASHRAE.

Estes estudos demonstram a responsabilidade que os profissionais da rea tm em procurar as

melhores solues construtivas para a envolvente de um edifcio por forma a satisfazerem os requisitos de

conforto de uma dada pessoa, ou grupo de pessoas, para um clima especfico.

2.1.1 Envolvente de um Edifcio

Desde a crise energtica de 1970 que os gastos energticos impulsionados pelo crescimento

populacional e pelas atividades econmicas so um dos maiores problemas da atualidade, aumentando a

possibilidade de ocorrncia de eventos ambientais graves e irreversveis, tanto para as pessoas como para

os ecossistemas (IPCC, 2014).

Comparativamente com outros sectores, as poupanas energticas em edifcios implicam

mudanas simples e mais eficazes do que em sectores como a indstria e os transportes, em que as

mudanas teriam repercusses ambientais difceis de se estimar. Desta forma, importante desenvolver

estratgias que conduzam a menores consumos de energia nos edifcios.

A maioria das decises sobre a envolvente de um edifcio so tomadas na fase inicial do projeto,

quando se define a arquitetura e o design do edifcio. Nesta fase so tomadas decises que influenciam o

desempenho energtico e a performance geral do edifcio que iro definir a pegada ecolgica do mesmo.

Porm, existem aspectos a ter em conta para se atingir um alto desempenho energtico como a ventilao

9

natural, a orientao da fachada, a cor aplicada na envolvente, a inrcia trmica, os dispositivos de

sombreamento, entre outros. Estes parmetros no so fceis de definir, pois podem ser contraditrios

entre si e exigem uma anlise pormenorizada para cada caso de estudo.

2.1.1.1 Ventilao

A ventilao natural o processo de renovao do ar de um espao fechado com o objetivo de

controlar a pureza e o percurso do ar no interior. Este conceito est relacionado com a qualidade do

conforto no interior dos edifcios, usando para esse processo, um recurso renovvel, a temperatura do

exterior e a renovao do ar a uma taxa adequada, para assegurar a boa qualidade do ar interior

(Ventilao Natural, 2015).

Segundo Rodrigues et al. (2009), o conhecimento dos processos de ventilao que se observa

naturalmente ou atravs de meios mecnicos, devem assegurar mnimos de renovao de ar. Assim, para

manter a qualidade do ar devemos conhecer as sadas pelas juntas e frinchas das janelas e das portas em

funo da presso do vento e das temperaturas verificadas; limitar os poluentes e manter a quantidade de

oxignio necessria; renovar o ar interior reduzindo os riscos de condensaes e assegurar temperaturas

e velocidades do ar confortveis. No entanto, a renovao do ar interior deve estar limitada de modo a

conservar o conforto interior sem dispndios de energia por trocas de calor que possam ocorrer. Segundo

os mesmos autores deve-se dar preferncia ventilao natural (frequente em edifcios residenciais), ao

invs da ventilao por meios mecnicos (edifcios com sistemas de climatizao centralizada), ou por

combinao dos dois processos (sistema hbrido) para garantir a higiene e salubridade do ar interior,

reduzindo assim os gastos energticos.

A ventilao tambm uma das formas mais eficazes para arrefecer a temperatura no interior das

habitaes, reduzindo os ganhos excessivos de calor. No entanto, podem acontecer situaes de

movimentao de ar menos confortveis por ser difcil controlar a velocidade do ar e o nvel de ventilao.

2.1.1.2 Orientao da fachada

A orientao da fachada de um edifcio deve ter em conta a anlise do clima local, considerando a

radiao solar, a velocidade e a direo dos ventos predominantes, de forma a proporcionar ganhos ou

perdas de calor no interior das habitaes.

Uma boa prtica de projeto privilegia a orientao da fachada do edifcio para Sul, pois potencia

ganhos solares, a habitao torna-se mais confortvel e as necessidades energticas com aquecimento so

menores. Pelo contrrio, uma orientao excessiva a Norte, devido ao dfice solar registado nesta direo,

pode provocar temperaturas interiores que no satisfazem os requisitos mnimos de conforto e provocar

um aumento das necessidades energticas com sistemas mecnicos de aquecimento no interior.

As habitaes orientadas a Este e a Oeste recebem raios solares mais intensos e, por vezes,

necessrio criar sombras no exterior para impedir a penetrao de raios solares e o ganho de calor

excessivo durante o Vero. Por exemplo, algumas casas no Alentejo com alados orientados a Oeste tm

vos pequenos para diminuir os ganhos solares durante o Vero (Orientao das fachadas, 2015).

10

Outro factor importante a distncia existente entre os edifcios, pois determina a existncia de

sombras permanentes sobre as fachadas adjacentes. Assim, importante saber a distncia adequada para

excluir sombras indesejadas especialmente se incidirem sobre fachadas orientadas a Sul. Para estas

fachadas importante considerar a sombra que cada edifcio projeta sobre o prximo, tendo em conta o

ngulo solar de Inverno (28o em mdia, em Portugal, a 21 de Dezembro) por forma a maximizar o

desempenho energtico do edificado.

No Vero, uma soluo possvel consiste em criar sombras com rvores, arbustos ou trepadeiras

de folha caduca nos espaos contguos s fachadas orientadas a Sul. Durante o vero a folhagem faz

sombra e durante o Inverno solta a folhagem deixando os raios solares entrarem nas habitaes pelas

reas envidraadas orientadas a Sul.

Relativamente aos espaos interiores importante estudar o panorama geral, assim como a

orientao solar, criando zonas com recepo solar direta e zonas com sombreamento para promover o

conforto dos utilizadores e incitar a sua permanncia no interior do edifcio.

2.1.1.3 Inrcia Trmica

Segundo Rodrigues et al. (2009), a inrcia trmica est relacionada com a aptido de um elemento

para armazenar calor e s o libertar passado algum tempo. Pode ser utilizada para promover a absoro

dos ganhos de calor durante o dia (reduzindo a carga de arrefecimento) e libert-los noite (reduzindo a

carga de aquecimento).

Os materiais pesados e macios que integram a composio dos edifcios conferem aos espaos

interiores estabilidade trmica devido sua inrcia trmica. Esses materiais interagem lentamente com as

temperaturas do meio que os rodeia e raramente atingem as temperaturas de pico (quente e fria) sentidas

ao longo do dia, pelo facto de estas no se manterem durante o tempo necessrio para se atingir um

equilbrio entre a temperatura do material e as temperaturas de pico. No Vero possvel sentimos uma

sensao de frescura quando estamos num edifcio de paredes macias em granito e, no Inverno, uma

sensao de conforto, quando o interior est a uma temperatura superior do ambiente exterior.

As perdas trmicas para o exterior por materiais com boas inrcias trmicas no desejvel,

sendo importante conjugar o isolamento trmico pelo exterior com os materiais existentes na fachada

para reduzir perdas indesejveis. Deve-se tambm evitar revestir os materiais pesados com materiais

leves que funcionem como barreira s trocas trmicas entre os materiais com elevada inrcia trmica e o

ambiente interior.

A ligao da inrcia trmica com a ventilao natural, nas noites quentes, faz com que o calor

acumulado nos materiais pesados se liberte durante a noite e se restabelea a capacidade de acumular e

absorver o calor excessivo no dia seguinte. Assim, evita-se a saturao da inrcia trmica por acumulao

de calor.

A cor das superfcies influncia a sua capacidade de absoro trmica e de reflexo da luz. As

cores claras e brilhantes refletem melhor a radiao, porque tm uma menor absoro e so adequadas

para climas quentes como o Centro e o Sul de Portugal. As cores mais escuras ou opacas absorvem mais a

11

radiao, o que aumenta a temperatura no interior e so recomendadas para climas frios, como o Norte de

Portugal (Inrcia Trmica, 2015).

2.1.1.4 rea de Envidraado

Para promover um ambiente interior confortvel necessrio encontrar um equilbrio entre a

rea de envidraado e as superfcies opacas, por forma a haver um controlo sobre os ganhos e as perdas

energticas entre o ambiente interior e o exterior. Deve ser efetuado um estudo prvio, em fase de projeto,

que visa otimizar o desempenho do edificado, estudando as reas de envidraado para cada fachada

conforme a sua orientao. Por exemplo, nas fachadas orientadas a Sul um rcio elevado entre

envidraado e materiais opacos pode aumentar os ganhos solares diretos no perodo de Inverno,

enquanto que um rcio baixo na fachada orientada a Norte contribui para a diminuio das perdas

trmicas.

O envidraado da fachada orientada a Sul permite ganhos solares na estao de aquecimento

(Inverno) quando o Sol est mais baixo e reduz os ganhos solares durante a estao de arrefecimento

(Vero) quando o sol est mais alto. Essas fachadas devem ter incorporado sistemas de sombreamento

exterior que permitam controlar a luminosidade e a radiao direta que incide sobre os materiais

transparentes, sem haver perda da visibilidade para o exterior e sem comprometer a ventilao,

mantendo a temperatura interior em nveis adequados de conforto e preservando a qualidade do ar

interior. Em Portugal, devido a um conjunto de fatores, recomenda-se que a rea de envidraado do alado

Sul no ultrapasse 35% (Proporo Adequada das Areas Envidraadas, 2015).

Nas fachadas orientadas a Este e a Oeste, os efeitos da radiao solar so semelhantes, variando

apenas no perodo do dia em que se regista os valores mximos de radiao solar incidente. A Oeste

verifica-se maiores ganhos solares durante o perodo da tarde, enquanto que na orientao Este estes se

verificam da parte da manh. A orientao a Oeste a mais problemtica, pois a radiao incide desde as

12 horas at ao pr-do-sol provocando a saturao da capacidade de absoro e acumulao da massa

trmica do edifcio (consultar tpico anterior sobre inrcia trmica para uma melhor compreenso),

contribuindo para o aumento da temperatura interior. Assim, recomendvel adotar um

dimensionamento em termos de rea, tipo de vidro e dispositivos de sombreamento mais conservadores

na fachada Oeste comparativamente com a fachada Este.

Durante todo o ano, a fachada orientada a Norte regista perdas elevadas e os ganhos solares so

reduzidos, tornando-a na fachada mais fria. Isto acontece porque durante a estao de aquecimento no

recebe radiao direta, apenas recebe radiao difusa e, durante a estao de arrefecimento recebe

pequenas fraes de radiao direta no princpio da manh e no final da tarde. Esta orientao a ideal

para integrar sistemas de ventilao natural promovendo o arrefecimento do ambiente interior e

reduzindo possveis custos com dispositivos mecnicos de arrefecimento.

Na Figura 2.1 possvel observar as variaes da radiao solar ao longo do ano para a cidade de

Lisboa.

12

2.1.1.5 Sombreamento como Soluo de Proteco Solar

A preveno ou a proteo dos edifcios aos ganhos solares deve ser considerada atravs de

solues arquitectnicas adequadas ao tipo de edifcio e ao clima em que se insere. A utilizao de

dispositivos de sombreamento permite o controlo da entrada de radiao solar no interior durante

perodos de aquecimento e o bloqueio da mesma em perodos de arrefecimento. Existem diversos tipos de

dispositivos de sombreamento como os estores venezianos, as portadas, os estores de lona e as cortinas

que, alm de versteis, conferem privacidade no interior. Para alm destes, existe uma variedade de

elementos construtivos como as palas, os beirados e as varandas que conseguem reduzir a incidncia da

radiao solar.

O objetivo de analisar individualmente e em conjunto os parmetros definidos neste subcaptulo

caminhar para um edifcio com desempenhos energticos cada vez mais elevados, dando prioridade a

sistemas passivos no controlo do conforto interior.

O conceito de edifcio de energia zero tem sido amplamente discutido e analisado por vrios

estados membros da UE. Estes edifcios tm por finalidade tornar a procura e a oferta energticas

praticamente equivalentes, onde a produo de energia elctrica provem de fontes de energia renovvel.

Estes devem ser concebidos com as mnimas necessidades energticas atravs da adopo de certas

medidas como, por exemplo (INETI, 2015):

- elevados nveis de isolamento e selagem em toda a envolvente do edifcio;

- sistemas eltricos, produtos e equipamentos electrnicos altamente eficientes (incluindo

eletrodomsticos no caso dos edifcios de habitao);

- localizao, orientao solar e enquadramentos adequados;

- design pensado para cada caso especfico.

de salientar que, apesar de o conceito de edifcios de energia zero, ou Zero-Energy Building na

literatura inglesa, no ser um conceito recente, ainda no existem metodologias especficas para

Horas

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(kW

h/m

2)

Figura 2.1 - Radiao Solar por Orientao de Fachada em Lisboa ao longo do ano (adaptado de Conceitos Bioclimticos para os Edifcios em Portugal, 2015)

13

desenvolver este tipo de edifcio devido ao elevado nmero de variveis que tal implicaria. Desta forma, o

contnuo aprofundamento de materiais e metodologias que contribuam para a reduo dos gastos

energticos torna-se fundamental para diminuir a pegada ecolgica provocada pelo sector da construo e

torn-lo numa rea competitiva em termos das emisses de GEE.

2.1.2 Variveis Climticas

Os aspectos climticos constituem um elemento importante a ter em conta na elaborao do

projecto de uma construo e podem ser analisados pela consulta dos dados meteorolgicos do local. Um

adequado planeamento por parte do projectista permite que o edifcio tenha condies de conforto

satisfatrias, de tal forma que as caractersticas do ambiente interior no sejam totalmente controladas

pelas caractersticas do ambiente exterior. Os elementos mais importantes de serem analisados so a

radiao e a geometria solar, a temperatura, a humidade e a velocidade do vento (Rodrigues et al., 2009).

2.1.2.1 Radiao Solar e Geometria Solar

A radiao solar a energia emitida pelo sol e transmitida sob a forma de radiao

electromagntica. Os gases presentes na nossa atmosfera constituem um factor determinante na

quantidade e qualidade da radiao recebidas, uma vez que estes promovem fenmenos como a absoro,

a reflexo, a refrao e a difuso da radiao. Desta forma, a radiao global que atinge a superfcie

terreste e que afeta o desempenho trmico dos edifcios decomposta em radiao direta (atravessa a

atmosfera unidirecionalmente) e em radiao difusa (sofre mltiplas reflexes nas partculas em

suspenso na atmosfera) e, dependendo das condies meteorolgicas, a percentagem de cada uma pode

variar significativamente (Rodrigues et al., 2009).

Estas partculas em suspenso na atmosfera do lugar a uma distribuio espectral da radiao

solar que pode ser analisada e classificada atravs do espectro electromagntico. Neste espectro podemos

encontrar comprimentos de onda maiores (ondas rdio, infra-vermelha e radiao visvel) em oposio a

ondas de comprimentos menores (ultra-violeta, raios X e raios gama). A radiao solar na superfcie

terrestre compreende ondas com comprimentos entre os 100 nm a 1mm, ou seja, desde o ultra-violeta ao

infra-vermelho, respectivamente.

Para alm da radiao direta e da radiao difusa ainda necessrio ter em conta a radiao

reflectida por um corpo ou superfcie, expressa pelo albedo. O albedo a medida da radiao solar

reflectida e pode ser obtida pelo quociente entre a radiao reflectida e a radiao recebida pelo corpo.

Este depende da rugosidade e do tipo de material, variando entre 3% e 85% da radiao total incidente

(Faustino, 2013).

Quando a radiao solar incide sobre superfcies transparentes como os envidraados das

fachadas, esta absorvida e emitida sobre a forma de ondas no espectro do infravermelho e visvel,

promovendo o aquecimento dos elementos internos. Posteriormente, os elementos re-emitem sobre a

forma de radiao infra-vermelha, contribuindo mais, ou menos, para o aquecimento do ambiente

circundante conforme o valor do albedo dos elementos for maior, ou menor, respetivamente. O vidro, por

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sua vez, bloqueia a radiao de comprimento de onda larga (a partir de 3,5m), no dissipando o calor e

contribuindo, desta forma, para o aumento da temperatura no interior.

2.1.2.2 Temperatura do Ar

A temperatura na superficie terreste determinada basicamente pela taxa de aquecimento e

arrefecimento da superficie terrestre devido ao direta dos raios solares que sobre ela incidem.

Portugal caracterizado por ter um clima temperado com diferenas notrias entre a estao de

aquecimento e a estao de arrefecimento. Desta forma, o dimensionamento do edificado deve ser

orientado para atender s melhores condies de conforto tanto no Inverno como no Vero.

De acordo com o RCCTE (RCCTE, 2006), o pas encontra-se dividido em trs zonas climticas de

Inverno (I1 I, 2 e I3) e em trs zonas climticas de Vero (V1, V2 e V3). Este zonamento vem dar nfase

diversidade da ao climtica que existe sobre os edifcios e servir de guia na definio das melhores

solues a adoptar para cada regio.

2.1.2.3 Humidade

A humidade presente no ar regulada pela vegetao e pelo ciclo hdrico. As chuvas, os lagos, os

rios, e os mares contribuem para a evaporao de gua, enquanto que a vegetao contribui atravs de

fenmenos de evapotranspirao.

Em ambientes urbanos, a excessiva ocupao dos solos pelos edifcios e vias de comunicao

conduziram diminuio de espaos verdes provocando uma reduo na humidade relativa do ar.

Em Portugal Continental, a humidade do ar no tem uma influncia direta significativa no

comportamento higrotrmico de edifcios (Rodrigues et al., 2009). Apesar disso, a contribuio da

humidade para fenmenos de condensao e para dimensionamento de sistemas de condicionamento de

ar no Vero no devem ser desprezados.

2.1.2.4 Vento

A radiao solar que atinge a superfcie terrestre varia conforme a latitude que se est a

considerar, provocando um aquecimento desigual do globo terrestre. Este diferencial de temperatura gera

energia potencial que se transforma em energia cintica pela elevao do ar quente na regio do equador,

abrindo caminho para a entrada de ar frio que vem do Norte e do Sul. O vento tambm influenciado por

fatores como a diferna de altitude, diferentes topografias ou pelo atrito do solo.

A velocidade do vento e a sua direo predominante tm um impacto muito significativo na

anlise e no dimensionamento dos sistemas de ventilao natural dos edifcios, no seu comportamento

trmico e no controlo das humidades interiores (Rodrigues et al., 2009). Desta forma o RCCTE impe um

valor mnimo de renovaes de ar por hora de 0,6.

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2.1.3 Elementos Transparentes nas Fachadas O vidro um material muito utilizado na indstria da construo civil, pois permite a entrada de

luminosidade, proporciona uma sensao de conforto e confere amplitude ao ambiente interior.

Da radiao incidente sobre o envidraado uma parte reflectida directamente para o ambiente

exterior, outra parte transmitida directamente para o ambiente interior e a restante absorvida pelo

vidro. Da radiao absorvida, parte transmitida posteriormente para o exterior e outra parte para o

interior (Rodrigues et al, 2009).

Quando exposto radiao solar, o envidraado realiza trocas de calor entre o ambiente interior e

o ambiente exterior. Este fenmeno ocorre sobre trs mecnismos distintos, conduo atravs do vidro e

do caixilho, radiao atravs das superfcies do envidraado e conveco pelo ar da cmara de

preenchimento no caso de se tratar de vidros duplos ou mltiplos (Faustino, 2013). Desta forma, uma

escolha adequada do tipo de vidro a aplicar em fase de projecto tem repercusses muito significativas em

termos de conforto interior e de poupanas com necessidades energticas futuras do edifcio.

Actualmente existe uma gama muito variada de vidros disponveis no mercado com vrias

funes e finalidades e, por isso, necessrio compreender e analisar alguns parmetros como o

coeficiente de transmisso trmica, o factor solar, o coeficiente de transmisso luminosa e o coeficiente de

reflexo luminosa, para se poder definir o vidro que melhor se ajusta s caractersticas pretendidas.

O coeficiente de transmisso trmica (U) nos vidros quantifica o fluxo de calor que atravessa uma

superfcie de 1m2 de envidraado numa hora, separando dois ambientes com diferenas de temperatura

de 1oC. Este parmetro deduzido considerando um regime permanente e tem em considerao os trs

fenmenos de transmisso de calor (conduo, conveo e radiao). Quanto maior o valor de U de um

vidro menor a sua resistncia trmica e menor ser o isolamento entre o ambiente exterior e o interior.

O factor solar do vidro (g) define a relao entre o ganho de calor atravs do vidro (pela parcela

da transmitncia e pela parcela da absortncia) e a radiao solar total incidente. Este parmetro indica a

parcela de radiao solar que atravessa o vidro para o ambiente interior, ou seja, quanto maior for o factor

solar maiores so os ganhos solares pelo envidraado.

O factor solar depende tambm do ngulo de incidncia solar, mas, segundo Rodrigues et al.,

(2009) as propriedades pticas do vidro s se alteram para valores de inclinao dos raios solares muito

elevados sendo que, at ngulos de incidncia de 50o, estas propriedades mantm-se praticamente

inalteradas. Segundo Faustino (2013), o factor solar dos vidros que se encontram actualmente no

mercado varia entre 0,10 (para vidros duplos de cor azul) e 0,90 (para vidros simples claros).

O coeficiente de transmisso luminosa traduz a percentagem do fluxo luminoso transmitido

atravs do vidro para o ambiente interior. Quanto maior for este factor maior a iluminao natural no

interior do edifcio e melhor a visibilidade entre o interior e o exterior. No entanto, se este coeficiente for

elevado pode provocar problemas de encandeamento que podem dificultar o trabalho com aparelhos com

ecrs. Os vidros actualmente disponveis no mercado tm coeficientes de transmisso luminosa que

variam entre 5% e 91% (Faustino, 2013).

O coeficiente de reflexo luminosa indica a percentagem de radiao no espectro visvel que

directamente reflectida pelo vidro. Em termos prticos, este parmetro define a capacidade que o vidro

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tem de se comportar como um espelho. Quanto mais elevado for este coeficiente, menor ser a

transmitncia e, consequentemente, menor ser a luz natural presente no ambiente interior. Para os

vidros disponveis no mercado, este coeficiente pode variar entre 5% e 60% (Faustino, 2013).

Por vezes os vidros existentes nas fachadas dos edifcios so deficientes quanto ao isolamento de

energia desejado, tornando o ambiente interior desconfortvel e danificando objectos como peas de

mobilirio. A pelcula de controlo solar, desenvolvida para a aplicao em envidraados na indstria da

construo civil, tem como objectivo principal reduzir as cargas trmicas de um espao interior,

impedindo a passagem de radiao em todo o espectro de radiao solar ou at impedindo a passagem de

radiao de certos comprimentos de onda especficos (foto-selectiva) conforme o objectivo final que se

pretenda atingir. Este tema ser abordado no subcaptulo 2.2 do presente captulo.

2.2 Pelculas

2.2.1 Contexto Histrico

O conceito de pelcula de controlo solar relativamente recente. Em 1960 desenvolveram-se as

primeiras pelculas cujo principal objectivo era controlar os ganhos e as perdas energticas resultantes da

radiao solar. Estas conseguiam bloquear grande parte da radiao em todo o espectro electromagntico.

Esta descoberta, aparentemente benfica no controlo dos ganhos energticos, levantou grandes

problemas de visibilidade no interior dos edifcios com a reduo da radiao no espectro da luz visvel.

Em alguns casos, houve necessidade de se recorrer a aparelhos de iluminao artificial para garantir os

nveis mnimos de conforto visual, conduzindo ao aumento dos consumos energticos e criando fontes de

calor internas que, sem a aplicao da pelcula, no existiam. Alm disso, a absoro excessiva de radiao

solar pela pelcula fazia aumentar a temperatura do vidro com o qual estava em contacto conduzindo a

expanses maiores do que as previstas, o que, por vezes, conduzia rotura do vidro, especialmente nos

casos de vidros duplos com pelcula aplicada pelo interior (Florida Solar Energy Center, 2015).

Estas consequncias estavam em desacordo com o prprio conceito de pelcula e incentivaram a

investigao e o desenvolvimento de novos materiais que pudessem ser incorporados no processo de

fabrico para a atenuao dos efeitos indesejados.

Nos anos 70, com a revoluo indstrial no seu auge, houve necessidade de se desenvolver

pelculas mais eficientes e capazes de dar resposta s necessidades de conforto trmico nos edificados. A

incorporao de fibras de polister nas pelculas mostrou-se bastante eficiente na absoro e reflexo de

radiao infra-vermelha reduzindo o calor perdido para o exterior e sem o inconveniente de diminuir a

luz visvel que atravessa os envidraados (Short History of Window Film, 2015). O desenvolvimento e a

investigao neste ramo caminham cada vez mais para a produo de pelculas espectralmente selectivas,

que permitam maiores valores de transmitncia para certos comprimentos de onda desejveis ao conforto

no ambiente interior e, ao mesmo tempo, impedem a transmisso de radiao noutros comprimentos de

onda no desejveis.

Actualmente existe uma gama muito variada de pelculas de aplicao pelo interior e de aplicao

pelo exterior no mercado com diversas finalidades. A sua eficincia est directamente relacionada com o

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clima, a orientao da fachada e as condies de sombreamento interior e exterior. de salientar que as

pelculas de aplicao pelo exterior tm uma durabilidade muito inferior s pelculas de aplicao pelo

interior pelo facto de estarem em contacto directo com o ambiente exterior, expondo-as s condies

climticas exteriores e a possveis danos por parte de pessoas ou objectos e, consequentemente, sofrerem

um desgaste mais acentuado com o tempo.

2.2.2 Tipos de Pelculas Existentes no Mercado Portugus

Existe uma gama muito variada de pelculas que, quando bem seleccionadas e aplicadas,

contribuiem significativamente para a melhoria do desempenho trmico e energtico dos envidraados.

Estas pelculas podem ser utilizadas na melhoria de envidraados para automveis ou edifcios. No

entanto, no mbito de estudo deste trabalho, apenas sero apresentadas as pelculas utilizadas na

indstria da construo civil.

Existem pelculas com diversos objectivos para aplicao em construes existentes.

Seguidamente apresenta-se uma lista das pelculas comercializadas pelos principais distribuidores em

Portugal e as suas principais caractersticas (Llumar, 2015).

Controlo Solar: diminuem o fator solar do envidraado, ajudando a controlar os aumentos de

temperatura nos espaos interiores, contribuindo para a reduo dos consumos de energia com

sistemas de arrefecimento.

Proteco dos raios Ultra-Violeta (UV): Impedem a entrada da radio no espectro da radiao

UV, protegendo os materiais no seu interior, como o mobilirio, os pavimentos, as cortinas. So

muito recomendadas para aplicao em museus ou galerias de arte, pois ajudam a prevenir o

envelhecimento precoce causado pela exposio prolongada aos raios UV.

Pelculas de Baixa Emissividade: melhoram o isolamento trmico do vidro e contribuiem para a

reduo dos gastos com energia tanto no vero como no inverno, mantendo a temperatura

interior nos nveis de conforto desejado.

Pelculas de Reduo de Encadeamento/Brilho: Reduzem o encadeamento e as reflexes

provocadas em aparelhos electrnicos, melhorando as condies de trabalho no interior.

Pelculas de Proteco e Segurana: tm a capacidade de absorver energia proveniente de um

impacto e segurar os estilhaos resultantes de uma quebra, protegendo pessoas e bens materiais

e contribuindo para a durabilidade do vidro. So recomendadas para aplicao em envidraados

escolares, de centros de sade e complexos desportivos.

Pelculas de Proteco: retardam ou impedem a entrada de pessoas no interior das habitaes,

constituindo uma barreira na entrada de intrusos. Podem tambm ter a funo de impedir a

visibilidade do exterior para o interior, preservando a privacidade dos utilizadores.

Pelculas Anti-graffiti: so transparentes e funcionam como uma camada de sacrifcio. Quando o

vidro alvo de vandalismo a pelcula pode ser facilmente removida sem deixar traos dos

estragos causados. Mesmo com a utilizao e remoo de vrias destas pelculas nos vidros, o

custo continua a ser menor do que substituir o vidro existente por um novo.

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Pelculas Decorativas: existe uma oferta muito grande de pelculas para a decorao de

interiores com variadas gamas de cores e padres que melhoram a esttica de um envidraado e

aumentam o leque de possibilidades de novos designs nos edifcios.

2.2.3 Constituio Tpica de uma Pelcula de Controlo Solar

As pelc