Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal

398 Pages·2012·22.09 MB·English

UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
Faculdade de Arquitectura

“Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Os Envidraçados nos Edifícios Residenciais em Lisboa

Márcia Cristina Pereira Tavares

Orientador: Doutor Hélder José Perdigão Gonçalves
Investigador Principal, Laboratório Nacional de Energia e Geologia
Co - orientador: Doutor Jorge Novais Telles Faria Corrêa Bastos
Professor Catedrático, Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa

Tese de Doutoramento
Arquitectura, Especialidade Tecnologias da Arquitectura

Júri
Presidente - Reitor da Universidade Técnica de Lisboa
Vogais
Doutor Marcelo de Andrade Romero
Professor Titular, Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, Brasil
Doutor Vítor Carlos Trindade Abrantes de Almeida
Professor Catedrático, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Doutor Jorge Novais Telles Faria Corrêa Bastos
Professor Catedrático, Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa
Doutora Maria Luisa de Oliveira Gama Caldas
Professora Catedrática, Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa
Doutor Jorge Alberto Gil Saraiva
Investigador Coordenador, Laboratório Nacional de Engenharia Civil
Doutor Hélder José Perdigão Gonçalves
Investigador Principal, Laboratório Nacional de Energia e Geologia
Doutora Maria da Graça Xavier da Fonseca e Costa Bachmann
Professora Auxiliar, Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa

2012
II
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”

Esta Pesquisa de Doutoramento teve o apoio
FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
LNEG- Laboratório Nacional de Energia e Geologia, I.P.

II
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”

III
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Resumo

RESUMO
O presente estudo procura, para edifícios com grandes áreas de vãos envidraçados, disponibilizar informação
relativa às questões de conforto e de consumo de energia para aquecimento e arrefecimento, com particular
ênfase em fracções de edifícios residenciais localizados num clima temperado, onde co-existem as duas
estações bem diferenciadas tendo-se, neste trabalho, optado por seleccionar edifícios situados na localidade de
Lisboa. Tendo em conta, o aumento crescente das áreas de envidraçados em edifícios residenciais,
frequentemente superiores a 60% da área das fachadas em que estão inseridos, torna-se de extrema
importância avaliar a influência de tais opções arquitectónicas no binómio conforto térmico-energia.
Para o efeito, foi seleccionado um conjunto de unidades habitacionais no parque edificado lisboeta, em que a
um dos critérios que presidiu à selecção dos mesmos diz respeito à dimensão da área de vãos. Além deste
critério, optou-se também por o universo de estudo ser balizado pela entrada em vigor da primeira
Regulamentação Térmica dos Edifícios em Portugal, RCCTE, Decreto de Lei 40/90 de 6 de Fevereiro, em que
apenas os edifícios construídos depois de 1990 foram objecto de estudo.
No conjunto seleccionado, 22 fracções, foram levadas a cabo monitorizações, entre 2007 e 2009, nas
estações de Verão e de Inverno, conducentes à avaliação das condições interiores em termos da temperatura do
ar e humidade relativa, num total de quatro campanhas experimentais.
Com base nos resultados das diversas campanhas de monitorização, e levantamento dimensional e
construtivo, foram construídos no software de simulação térmica EnerguPlus (E+) modelos detalhados e
simplificados à semelhança das unidades monitorizadas, de forma a ter sido considerado neste processo as
características de cada unidade habitacional e as condições em que foram monitorizadas. Por fim, foi ainda
possível definir e calibrar dois modelos tipológicos capazes de responder e representar um universo mais
alargado de soluções: Modelo1 com uma única face exposta e Modelo 2 com duas faces expostas opostas.
Com base nas monitorizações, construção dos modelos e respectiva calibração, foi possível identificar os
efeitos e influências de alguns parâmetros no comportamento térmico de fracções com tais características de
envidraçados, embora numa fase inicial do trabalho, não tivessem sido extensivamente explorados.
Os modelos simplificados foram utilizados para o desenvolvimento de uma Matriz de soluções e estudos
decorrentes, sendo as soluções presentes na Matriz resultantes de diversas combinações entre os elementos
constituintes de um sistema passivo de fácil integração num edifício: sistema de ganho directo. As opções da
Matriz, foram obtidas a partir da combinação entre os elementos de captação (envolvente não-opaca:
envidraçados), armazenamento/amortecimento e retenção (envolvente opaca: massa térmica e isolamento
térmico). Para cada elemento da Matriz foram ainda submetidas variações ao nível de: orientação, localização no
edifício e estratégias de dissipação de calor - ventilação natural.
Partindo de uma abordagem experimental/numérica foi possível concretizar os objectivos do estudo, e
verificar quais são de facto as possibilidades de se obter condições interiores de temperatura que conduzam a
menores valores de necessidades de energia para obtenção das condições de conforto térmico, bem como
avaliar a influência dos parâmetros contemplados na Matriz (correlacionados com intenções de projecto).
Procura-se deste modo contribuir para a tomada de decisões ainda numa fase inicial de projecto, sendo
sempre disponibilizados dados quantitativos e qualitativos de desempenho nas principais estações do ano
(temperatura e necessidades energéticas) e de forma integrada em termos anuais.

Palavras-Chave: Sistemas Solares Passivos, Térmica dos Edifícios, Desempenho Térmico e
Energético, Conforto, Necessidades de Aquecimento, Necessidades de Arrefecimento, Áreas de
Envidraçados, Edifícios Residenciais, Monitorizações em Edifícios, Simulação e Calibração de
Modelos.

III
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Resumo

III
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Abstract

ABSTRACT
The purpose of this study is to provide information about the issues of comfort and energy consumption for
heating and cooling in buildings with large glazing areas, with particular emphasis on residential building fractions
located in temperate climates where the two well differentiated seasons coexist, thus opting to select Buildings
located in Lisbon for this study. Taking into account continuous increase of glazing areas in residential buildings,
frequently over 60% of the building façade which they belong, the evaluation of such architectural options for the
thermal comfort-energy binomial becomes extremely important.
To this end, a set of residential units in the Lisbon built park was selected, where one of the pre-selection
criteria for the units concerns the size of the openings areas. In addition to this criterion, it was decided that the
study universe be supported by the implementation of the first Building Thermal Regulation in Portugal, RCCTE
(by its initials in Portuguese), Law 40/90 of February 6, in which only buildings built after 1990 where study
subjects.
Monitoring was conducted between 2007 and 2009 in the selected set, 22 fractions, during the summer and
winter seasons, where the air temperature and relative humidity conditions were evaluated during a total of four
experimental campaigns.
Based on the results of several monitoring campaigns, detailed and simplified models were developed using
the thermal simulation software EnerguPlus (E+), in order to insure in this process the characteristics of each
housing unit and the conditions under which they were monitored. Finally, it was possible to define and calibrate
two typological models capable of responding and representing a broader universe of solutions: Model 1 with only
one exposed face and Model 2 with two opposite exposed faces.

Based on the monitoring, models construction and respective calibration, it was possible to identify the effects
and influences of some parameters in the fractions thermal behaviour with such glazing characteristics, even
though not extensively explored in the study’s initial phase.
The simplified models were utilized to develop a solution matrix and subsequent studies. The solutions in the
matrix are the result of various constituent elements combinations of an easy integration building Passive Solar
System: direct gain system. The matrix options were derived from the combination of the elements of collection
(non opaque envelope, glazing), storage and retention (opaque envelope: thermal mass and insulation). Further,
each matrix element was subjected to variation in terms of: orientation, building localization and heat dissipation
strategies – natural ventilation.
Starting from an experimental/numerical approach it was possible to achieve the objectives of the study, and
verify which are in fact the possibilities to obtain interior temperature conditions that leads to lower values of
energy needs to obtain thermal comfort, and assess the influence of the parameters included in the matrix
(correlated with the intentions of the project).
The study aims to contribute to the decision making at an early stage of the projects with quantitative data and
qualitative performance being always available during the year’s main seasons (temperature and energetic
needs) and integrated in annual terms.

Keywords: Passive Solar Systems, Thermal Buildings, Thermal and Energy Performance, Comfort,
Heating Needs, Cooling Needs, Glazing Area, Residential Buildings, Buildings Monitoring, Simulation
and Models Calibration

IV
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Abstract

IV
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Agradecimentos

AGRADECIMENTOS
Ao Doutor Hélder José Perdigão Gonçalves, que por anos consecutivos confere-me uma confiança tanto no
âmbito pessoal como profissional, agradeço por ter novamente aceitado ser orientador em mais um desafio, e
desta vez bem maior que o primeiro.
Ao Doutor Jorge de Novais Telles de Faria Corrêa Bastos, agradeço ter se disponibilizado participar na
orientação deste trabalho, bem como a atenção o apoio e estímulo de sempre.
Ao Professor Doutor Marcelo de Andrade Roméro, pelos ensinamentos de base, pela confiança e amizade
que assim como o Eng. Jorge Gil Saraiva foram os grandes impulsionadores e responsáveis por acreditar neste
desafio.
Ao Eng. Jorge Saraiva ficam registadas as pequenas e as grandes conversas, em cada história muitas
histórias, sem as quais o estudo não seria o mesmo.
Agradeço as Instituições envolvidas neste projecto, especialmente à Faculdade de Arquitectura da
Universidade Técnica de Lisboa, à Fundação para a Ciência e a Tecnologia FCT e Incentivos Públicos à
Investigação, pelo apoio e suporte; bem como à Instituição de acolhimento o Laboratório Nacional de Energia e
Geologia - LNEG (ex-INETI), a qual disponibilizou recursos importantes para o desenvolvimento e conclusão do
estudo.
Aos colegas de Unidade (UEAC-LNEG), agradeço o apoio diário e constante. Em especial agradeço a Susana
Camelo que para além de ter contribuído para um texto melhor, foi incansável com um incentivo e cuidado
constante. Também agradeço a ajuda especial da Paula Carvalho, bem como os conselhos amigos da Marta
Panão.
A Cândida Mendes pelas dicas e suporte informático que auxiliaram na optimização do tempo de trabalho, ao
Pedro Horta pelas experiências compartilhadas relativamente ao software de simulação térmica adoptado, a
Doutora Maria João Carvalho por permitir o acesso e ceder dados de relativa importância; assim como agradeço
a todos os profissionais, colegas e amigos que de alguma forma contribuíram para este estudo.
Aos profissionais arquitectos dos ateliês, Aires e Mateus, Intergaup, Frederico Valsassina (FVArquitectos),
agradeço a atenção e a cordialidade ao terem disponibilizado os elementos de projecto necessários e
importantes para o desenvolvimento do trabalho. Aos moradores dos edifícios Navitejo, Pertejo, Alcânta-Rio e
Jardins de São Bartolomeu, agradeço a receptividade e o acolhimento.
Aos meus pais agradeço o amor, a dedicação, os ensinamentos e a educação que transmitiram, pois sem
esta combinação não teria conseguido insistir, persistir, resistir e prosseguir. Ao meu pai agradeço a
demonstração da força do trabalho e a minha mãe a integridade e a verdade.
A Avó mais deliciosamente perfumada, uma referência de força da mulher, de coragem, sabedoria e doçura,
agradeço o aconchego e todas as preces constantes.
Agradeço a minha família e amigos, em especial a família Silva por ter-me acolhido com tanto carinho, bem
como agradeço a minha irmã Sílvia e ao meu cunhado Angel que para além do bem-querer encheram a minha
vida de alegria com a preciosa Clarinha.
Ao Rui dedico este trabalho simplesmente por tudo!

V
Tese de Doutoramento “Sistemas Solares Passivos na Arquitectura em Portugal”
Agradecimentos

VI