DESENVOLVIMENTO DE UM ELEMENTO DA ENVOLVENTE DESTINADO AO ARREFECIMENTO PASSIVO DE EDIFÍCIOS

CIES 2006 – XIII Congresso Ibérico e VIII Congresso Ibero-Americano de Energia Solar 9-10 Novembro 2006, Lisboa

DESENVOLVIMENTO DE UM ELEMENTO DA ENVOLVENTE DESTINADO AO ARREFECIMENTO PASSIVO DE EDIFÍCIOS L. Pires, Pedro D. Silva Universidade da Beira Interior, Departamento de Engenharia Electromecânica 6201-001 Covilhã, Portugal [email protected], [email protected]

J. Castro Gomes Universidade da Beira Interior, Departamento de Engenharia Civil 6201-001 Covilhã, Portugal [email protected]

Resumo Nos anos mais recentes tem-se assistido em simultâneo ao crescimento mundial do consumo de energia primária e ao aumento generalizado do preço dos combustíveis. Acresce ainda que quer Portugal quer a União Europeia apresentam uma grande dependência energética em relação a países terceiros. Quando a análise de consumos é feita por sectores verificase que o consumo correspondente aos edifícios é significativamente elevado. Ultimamente este consumo tem também vindo a crescer, em particular o relativo ao arrefecimento. Torna-se, assim, importante adoptar medidas que de um modo geral permitam reduzir o consumo de energia e que em particular sejam efectivas no caso dos edifícios. Neste artigo apresentam-se resultados experimentais preliminares relativos ao comportamento de um elemento a ser integrado na envolvente dos edifícios e cujo objectivo é precisamente participar no seu arrefecimento interior com reduzidos custos energéticos. O elemento passivo desenvolvido utiliza de forma combinada a ventilação nocturna, a acumulação de frio e o arrefecimento evaporativo. Desta forma permite adequar as potencialidades de cada uma das técnicas às necessidades de arrefecimento do edifício colmatando as limitações que resultariam da sua aplicação isolada. Inicialmente foi construído um modelo à escala experimental desse elemento da envolvente que, depois de convenientemente instrumentado, foi submetido a diferentes condições de operação numa câmara climática. O elemento possui um núcleo em argamassa impregnada com uma substância acumuladora e cuja temperatura de transição de fase se adequa ao fim pretendido. A superfície do elemento em contacto com o ar exterior foi revestida por um material poroso que quando molhado permite a ocorrência de arrefecimento evaporativo indirecto. Os resultados preliminares indicam que este tipo de elemento pode ser utilizado com sucesso no arrefecimento passivo de edifícios.

1. Introdução Nos anos mais recentes tem-se assistido em simultâneo ao crescimento mundial do consumo de energia primária e ao aumento generalizado do preço dos combustíveis. Em 2005 o consumo de energia primária a nível mundial atingiu o valor de 10537,1 mtep (milhões de toneladas equivalente de petróleo) o que representa um aumento de 2,7% em relação ao consumo do ano anterior [1]. Na União Europeia (EU25) o consumo foi idêntico ao relativo a 2004, que tinha sido 1746,9 mtep [2] [3], valendo cerca de 16,3% do consumo mundial [BP]. A União Europeia é também fortemente importadora de energia tendo importado em 2005 cerca de 56% dos combustíveis que utilizou, valor que em 2004 foi de 54% [2]. Em relação a esse assunto, prevê-se que dentro de 20 a 30 anos a União Europeia possa estar a cobrir 70% das suas necessidades energéticas com produtos importados [3]. De acordo com os dados recentemente publicados pelo Eurostat, em 2005 o consumo de energia primária em Portugal foi 3,1% superior ao valor de 2004, que tinha sido de 26,2 mtep. O ano de 2005 foi no nosso país marcado por um significativo decréscimo na produção de energia primária, fortemente influenciado pela seca que marcou esse ano e que provocou que a produção de energia eléctrica pela via hídrica diminui-se cerca de 51% em relação ao ano de 2004 [4]. Como consequência desse facto, agravou-se a nossa dependência energética, que passou do valor de 83,6% em 2004 para um valor de 99,4% em 2005 [2]. Avaliando o consumo de energia por sectores verifica-se que o consumo correspondente aos edifícios é significativamente elevado. O conjunto dos edifícios domésticos e de serviços foi responsável, no ano de 2004, por cerca de 41,5% do consumo final de energia no conjunto dos 25 países que compõem a União Europeia [3]. Neste sector em particular o consumo nos edifícios domésticos representou cerca de 63,9% do valor total [5]. Sendo o sector dos edifícios fortemente utilizador de energia eléctrica é interessante saber que nesse mesmo ano foi responsável por 56,3% do consumo total dessa forma de energia. A nível nacional, o sector dos edifícios apresentou em 2004 um consumo final de energia de cerca de 5,6 mtep representando cerca de 28% do consumo total. De novo, tem particular interesse referir o contributo deste sector no consumo final de energia eléctrica, que foi no referido ano da ordem de 60,7% [3]. De acordo com dados avançados pela própria União Europeia, entre 1990 e 2000 o consumo de energia nos edifícios domésticos teve um crescimento médio de 0,7% ao ano. O consumo para fins de aquecimento (aquecimento ambiente, águas quentes sanitárias, confecção de refeições) cresceu em média, apenas, 0,5% ao ano. Contudo, o consumo associado ao arrefecimento teve um crescimento bastante acentuado, 14,6% ao ano, como resultado do aumento da procura de conforto que está associada à elevação dos padrões da qualidade de vida e também devido à redução dos preços dos equipamentos de ar condicionado. Ainda sobre este tópico, prevê-se que a procura de energia para arrefecimento de edifícios cresça a uma taxa de 3,4% ao ano no período entre 2000 e 2030 [6]. Com o objectivo de conhecer com rigor o mercado europeu de ar condicionado foram realizados dois estudos a pedido da Comissão Europeia debruçando-se o primeiro sobre os aparelhos do tipo chave na mão [7] e o segundo sobre os sistemas centralizados [8]. Ao primeiro caso dizem respeito aqueles equipamentos que são adquiridos directamente em lojas de venda ao público, sem intervenção de um projectista, e em que as potências envolvidas são em geral inferiores a 12 kW. De acordo com o estudo o número de aparelhos deste tipo na União Europeia cresceu do valor de 1,2 milhões em 1990 para 7,4 milhões de

unidades em 1996, estimando-se que em 2020 seja próximo de 33,0 milhões. Relativamente ao consumo anual de energia eléctrica que lhes está associado prevê-se que em 2020 o valor seja da ordem de 43,9 TWh, 4 vezes superior ao referente a 1996. O mesmo estudo estima que as emissões de CO2 devido a este tipo de equipamentos se multipliquem por um factor de 20 entre 1990 e 2010. No que respeita aos sistemas centralizados, com potências superiores a 12 kW e utilizados exclusivamente em edifícios de serviços, o seu mercado está também a expandir-se rapidamente na União Europeia. Entre 1985 e 2000 a área arrefecida em edifícios de serviços passou de 40 milhões para 150 milhões de metros quadrados. A utilização crescente de aparelhos convencionais de ar condicionado sugere, também, preocupações de carácter ambiental que ultrapassam a questão associada ao consumo de energia. Os refrigerantes do tipo HFC (hidrofluorocarbonos) e PFC (perfluorcarbonetos), desenvolvidos para substituir os CFC (clorofluorocarbonos) e HCFC (hidroclorofluorocarbonos) por estes contribuírem significativamente na depleção da camada de ozono, têm um elevado potencial de aquecimento global, pois tratarem-se de gases de efeito de estufa [9]. Torna-se, assim, importante adoptar medidas que de um modo geral permitam reduzir o consumo de energia e que em particular sejam efectivas no caso dos edifícios. A utilização de técnicas passivas no arrefecimento dos edifícios pode contribuir de forma substancial na redução desses consumos. Apresentam-se neste artigo resultados experimentais preliminares relativos ao comportamento de um elemento a ser integrado na envolvente dos edifícios e cujo objectivo é participar de forma passiva no seu arrefecimento interior.

2. Arrefecimento passivo O elemento desenvolvido integra de forma combinada três técnicas bem conhecidas, a ventilação nocturna, a acumulação de energia por calor latente e o arrefecimento evaporativo.

2.1 Ventilação nocturna A ventilação nocturna consiste na passagem, durante a noite, de ar do exterior pelo interior do edifício de modo a dissipar o calor aí acumulado durante o dia. A eficácia desta técnica depende da amplitude térmica diária do local onde é empregue, da taxa a que o interior do edifício é ventilado e da sua inércia térmica [10]. Apesar de ser uma estratégia utilizada há séculos, em particular em regiões onde as estações de Verão são especialmente quentes, nos últimos anos tem merecido a atenção de diversos investigadores, como são exemplo os diversos trabalhos que lhe têm sido dedicados [10 – 14].

2.2 Acumulação de energia A acumulação de energia desempenha um papel importante na conservação da energia e na optimização da sua utilização, uma vez que algumas fontes de energia têm um

comportamento intermitente na natureza. A acumulação de energia por calor latente é a par da acumulação por calor sensível uma das técnicas de acumulação térmica [15]. Apresenta em relação à segunda uma densidade de acumulação mais elevada com menor diferença de temperaturas entre os processos de carga e de descarga, que corresponde em geral ao intervalo de temperaturas da mudança de fase [16]. A acumulação de energia por calor latente envolve a utilização de materiais de mudança de fase que podem ser orgânicos, inorgânicos ou eutécticos. A sua aplicação em edifícios pode ser do tipo passivo, em que se tira partido de fontes naturais, ou do tipo activo, no qual se utilizam fontes de energia em cuja produção há intervenção humana [17]. A utilização de materiais de mudança de fase que acumulem os ganhos diurnos de energia de um edifício descarregando-os para o ar exterior durante a noite tem sido apontada como uma estratégia promissora para o arrefecimento passivo de edifícios [18 – 20].

2.3 Arrefecimento evaporativo O arrefecimento evaporativo permite realizar o arrefecimento do ar por evaporação de água. Distinguem-se neste caso dois tipos de situações: o arrefecimento evaporativo directo, no qual o ar arrefecido, e humidificado, é introduzido directamente no interior do edifício; e o arrefecimento evaporativo indirecto, em que a evaporação da água é utilizada para arrefecer um elemento da envolvente do edifício, que por condução de calor arrefece então o interior do edifício. Neste último caso, reduz-se a temperatura do ar interior do edifício sem elevar o seu conteúdo de vapor [21]. A aplicação desta técnica no arrefecimento passivo de edifícios tem sido alvo de estudo recente por parte de diversos autores como são exemplo os trabalhos de Manzan et al. [22], Ghosal et al. [23] e Ibrahim et al. [24]. Com a utilização combinada das três técnicas pretende-se adequar as potencialidades de cada uma às necessidades de arrefecimento do edifício colmatando as limitações que resultariam da sua aplicação isolada [25]. A generalização da implementação deste tipo de elemento pode contribuir para uma redução efectiva dos consumos energéticos associados ao arrefecimento de edifícios.

3. Instalação experimental Foi construído um modelo experimental cujo comportamento foi testado com o recurso a uma câmara climática. No núcleo desse elemento encontra-se uma placa de argamassa impregnada com um material de mudança de fase e que numa das suas faces se encontra revestida por um material cerâmico poroso. Para a concepção da referida placa, com dimensões 12 mm x 620 mm x 770 mm, foi seleccionada uma argamassa padrão produzida de acordo com a norma NP EN 196-1 [26]. O material de mudança de fase escolhido foi uma parafina, Rubitherm RT20, cujas propriedades são apresentadas na tabela 1. Após o período de cura aconselhado procedeu-se à impregnação de parafina na argamassa por

imersão num banho de parafina à temperatura de 24 ºC e por um período de 96 horas. Deste processo resultou uma percentagem de incorporação de parafina, em massa, de cerca de 5%. Tabela 1 – Propriedades da parafina RT20* Temperatura de fusão

ºC

21,7

Temperatura de solidificação

ºC

18,3

Massa específica na fase sólida

kg/m3

780

Massa específica na fase líquida

kg/m3

745

Condutibilidade térmica na fase sólida

W/mK

0,18

Condutibilidade térmica na fase líquida

W/mK

0,19

Viscosidade cinemática na fase líquida

mm2/s

1,5

Calor latente

kJ/kg

212

Calor específico na fase sólida

kJ/kg K

1,8

Calor específico na fase líquida

kJ/kg K

2,4

* dados fornecidos pelo fabricante

A placa encontra-se instrumentada por um conjunto de 20 termopares do tipo T distribuídos segundo a sua espessura e em cinco localizações diferentes. Adicionalmente foram colocados em ambas as suas faces sensores de fluxo de calor por forma a permitir conhecer de modo contínuo o calor acumulado. Dada a espessura dos sensores de fluxo utilizados, 3 mm, optou-se por envolver a placa com uma camada de gesso de 5 mm no interior da qual os referidos sensores foram integrados. De seguida, numa das faces do conjunto foi aplicado um revestimento cerâmico que tem como finalidade servir de suporte ao processo de arrefecimento evaporativo. Assim sendo interessava escolher um material que, possuindo uma elevada porosidade, tivesse boa capacidade de absorção de água. Optou-se por tijoleiras comerciais de barro vermelho com espessura igual a 14 mm e que, de acordo com o seu fabricante (Cerâmica Sotelha S.A.), apresenta uma taxa de absorção de água da ordem de 10%. De modo a permitir a circulação de água no seu interior, molhando-se assim o revestimento, foram abertos canais em diagonal na face a ser colada ao gesso. Os canais encontram-se espaçados de 50 mm e apresentam largura e profundidade de 5 mm cada. De modo a prevenir o transporte não desejado de água para o gesso e posteriormente para a argamassa, a superfície do gesso em contacto com o revestimento cerâmico foi impermeabilizada com um produto indicado para esse efeito e que é compatível em simultâneo com gesso e com cimento-cola para materiais cerâmicos. Foi inicialmente aplicado um isolante aquoso, que serviu como primário, seguido da aplicação do impermeabilizante à água. Foram colocados termopares nas superfícies exteriores do gesso e do revestimento cerâmico e também nas interfaces entre esses mesmos materiais. Este conjunto foi então montado num suporte em MDF cujo esquema pode ser visualizado na figura 1. De cada um dos lados do núcleo anteriormente descrito encontra-se um canal para circulação de ar. De modo a dotar o elemento da possibilidade de operar em regime de ventilação forçada foram montados ventiladores do tipo tangencial no topo de cada um dos canais. Optou-se por este tipo de ventiladores por se pretender que o escoamento sobre cada

uma das superfícies do elemento fosse satisfatoriamente uniforme. Os ventiladores foram equipados com motores monofásicos de indução com arranque por condensador. Ventiladores

Saída de ar

Núcleo do elemento

Canais de ar

Entrada de ar

Figura 1 – Esquema geral do elemento em estudo

Para o fornecimento de água ao conjunto dos canais do revestimento cerâmico foi construído um circuito fechado que inclui um depósito de armazenamento e uma bomba de circulação. O depósito foi equipado com um sistema de visualização de nível para avaliação do volume de água que evaporava do revestimento cerâmico molhado para o ar que circula no canal adjacente. O elemento foi ensaiado numa câmara constituída por dois compartimentos distintos cada um com dimensões interiores iguais a 1200 mm x 1500 mm x 1000 mm. Entre esses dois compartimentos é interposta uma moldura de ensaio onde os elementos a estudar são montados. No canal adjacente ao revestimento cerâmico circula ar proveniente do compartimento que pretende representar o espaço exterior ao edifício (câmara exterior). No canal oposto circula ar vindo do compartimento que desempenha o papel de espaço interior do edifício (câmara interior). De modo a poder obter em cada uma das câmaras as condições pretendidas para a realização dos ensaios, a câmara opera em conjunto com dois sistemas independentes de condicionamento de ar. Ambos os sistemas permitem controlar em simultâneo a temperatura e a humidade relativa do ar fornecido às câmaras. O seu funcionamento decorreu em circuito fechado. Na figura 2 pode visualizar-se um esquema do conjunto composto pela câmara climática e pelo elemento em estudo.

Elemento a estudar

Câmara climática

Figura 2 – Esquema do conjunto câmara climática/elemento

4. Resultados As figuras 3 e 4 mostram alguns dos resultados preliminares. Apresentam-se em particular dados relativos a duas situações de ensaio em que se pretendeu avaliar o efeito do arrefecimento evaporativo no comportamento do elemento. As condições impostas em cada um dos compartimentos da câmara climática foram semelhantes para os dois ensaios. Na câmara exterior o ar encontrava-se a 31,5 ºC com humidade relativa de 28% enquanto que na câmara interior as condições eram de 22 ºC e humidade relativa igual a 52%.

Com arrefecimento evaporativo 32 Temperatura [ºC]

30 28 Interior

26

Elemento

24

Exterior

22 20 18 0

30

60

90

120

150

180

Tempo [min]

Figura 3 – Evolução das temperaturas no tempo com arrefecimento evaporativo

Sem arrefecimento evaporativo 32 Temperatura [ºC]

30 28 Interior

26

Elemento

24

Exterior

22 20 18 0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

Tempo [min]

Figura 4 – Evolução das temperaturas no tempo sem arrefecimento evaporativo

Os ensaios efectuaram-se de forma consecutiva. Assim, o início do segundo ensaio decorreu ainda com o material cerâmico húmido. O estudo preliminar efectuado indica que o sistema de arrefecimento evaporativo desenvolvido confere ao elemento a capacidade de resistir térmicamente ao escoamento externo.

5. Conclusão O crescimento acentuado da procura de energia para arrefecimento dos espaços interiores dos edifícios obriga à adopção de estratégias que contrariem esse mesmo crescimento. Neste trabalho foram realizados testes experimentais a um elemento da envolvente cuja finalidade é promover o arrefecimento passivo de edifícios. Os resultados preliminares demonstram que o elemento cumpre a sua finalidade podendo assim contribuir de forma objectiva na redução dos consumos associados ao arrefecimento. A sua eficiência depende no entanto das condições ambiente.

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