Sistemas passivos
Princípio de funcionamento
As paredes acumuladoras podem funcionar como um sistema combinado de radiação e convecção com a aplicação de aberturas nas suas partes inferior e superior (parede de trombe).
A parede de trombe é uma tecnologia patenteada em 1881 por Edward Morse, patente US246626, e tornada conhecida nos anos 1970 por Felix Trombe (daí “parede de trombe”). Este sistema é composto por um material com grande capacidade de armazenamento térmico, com a necessidade de ser isolado do exterior, através duma caixilharia com vidro transparente, para tirar partido do efeito de estufa que se dá na caixa-de-ar existente entre o vidro e o material acumulador.
Durante o dia, a radiação solar incide sobre uma massa térmica colocada entre o sol e o espaço a aquecer. A radiação absorvida pela massa transforma-se em energia térmica e é transferida para o interior do edifício passadas 5 horas a 8 horas dependendo das propriedades térmicas do material e da espessura do mesmo. Isto quer dizer que o aquecimento do espaço ocorre próximo do fim da tarde uniformemente, quando ele é mais preciso. De outro modo, dado que o espaço a condicionar não recebe diretamente a radiação solar, os sistemas de ganho indireto oferecem a possibilidade de controlo das oscilações de temperatura interior, evitando sobreaquecimento [2].
Este tipo de sistemas podem fornecer a energia necessária para suprimir as necessidades de aquecimento noturno. O funcionamento deve fazer-se de acordo com a seguinte sequência:
- Inverno, dia: os orifícios de ventilação apenas deverão ser abertos, quando a temperatura no espaço de ar exceder a temperatura do compartimento e for necessário o aquecimento. Os canais de ar também poderão ser abertos para comunicação ao exterior para renovação de ar interior;
- Inverno, noite: para reduzir as perdas de calor, o eventual dispositivo de oclusão noturno deverá estar fechado, bem como os orifícios de ventilação;
- Verão, dia: os orifícios de ventilação devem estar fechados e deverá ser previsto o sombreamento do sistema;
- Verão, noite: para facilitar o arrefecimento da parede, devem ser abertos os orifícios de ventilação exteriores.
Para que a parede de Trombe desempenhe corretamente a sua função, é essencial que a sua constituição seja devidamente estudada e dimensionada:
- Adaptação à zona climática onde este se localiza, o tipo de utilização e as suas características arquitetónicas;
- O material, a espessura e a área da parede acumuladora devem ser analisados, bem como as características dimensionais da caixa-de-ar;
- A definição de um correto sistema de ventilação é fundamental para a função que se pretende obter da introdução deste sistema passivo;
- O tipo de envidraçado e os dispositivos de sombreamento devem também ser ajustados ao fim em vista.
Potencial
A aplicação de uma parede de Trombe ventilada a um edifício residencial, cuja área corresponde a apenas 3,20% da área útil do edifício, revela que as necessidades de aquecimento energético podem ser reduzidas em 16,36%. Assim, a inclusão de um sistema de parede Tombe na envolvente do edifício melhora a sua eficiência energética [1].
A eficiência da parede de Trombe melhorada no aquecimento do edifício pode ultrapassar os 33,9%, relativamente ao desempenho da parede de Trombe clássica sem ventilação, cuja eficiência é de 21,7%, o que corresponde a um aumento de 56%.
[1] Ana Briga-Sá e outros. Energy performance of Trombe walls: Adaptation of ISO 13790:2008(E) to the Portuguese reality. Energy and Buildings Volume 74, May 2014, Pages 111-119
[2] Mendonça, P.J.: Habitar uma segunda pele: Estratégias para a Redução do Impacto Ambiental de Construções Solares passivas em Climas Temperados. Dissertação de Doutoramento. Universidade do Minho. Guimarães, 2005.
Princípio de funcionamento
Um permutador de calor ar/solo é constituído por um conjunto de tubagens enterradas situadas na entrada do sistema de ventilação, por baixo ou ao lado do edifício. Dependendo da geometria e dimensão escolhida, é utilizada de forma a amortecer o dia ou a oscilação anual, de forma a evitar a correspondente picos temperaturas quentes ou frias.
O princípio básico de utilização da terra para circular o ar subterrâneo por permutadores de calor é capacidade térmica de armazenamento sazonal do solo, o que resulta em uma temperatura atraso relativamente à temperatura exterior. Esta diferença temperatura torna possível a utilização do solo para arrefecimento no Verão e para aquecimento no Inverno. A troca de calor só deve ser aplicada em climas com grandes diferenças entre temperatura Verão e de Inverno, e entre dia e a noite.
A troca de calor pode ser aplicado para o aquecimento ou arrefecimento do ar inserido.
Potencial
Menor custo da energia, arrefecimento, renovação de ar controlado (menor concentração de bactérias esporos e fungos no ar de admissão), possibilidade de reduzir ou evitar um convencional sistema de arrefecimento.
Este sistema, corretamente dimensionado, é capaz suprir todas as necessidades de arrefecimento de um edifício ao mesmo tempo que renova o ar interior. Para o clima português, é possível para picos de carga de 30 a 40 W/m2 de terreno.
Por ter um custo inicial maior que para um convencional sistema de AVAC importa realizar um correto estudo da performance deste sistema de modo a encontrar a situação mais favorável em termos de custo/benefício.
Considerações ao projeto
A instalação de um permutador de calor subterrâneo exige um grande espaço disponível no solo. Além disso, um sistema de ventilação, incluindo ventiladores e de canalização de distribuição, etc. são necessários.
Nestes sistemas é necessário especial atenção da seleção do diâmetro e material do tubo; posição, profundidade e comprimento do tubo assim como a velocidade do ar no interior destes entre outros aspetos que podem melhorar o desempenho destes sistemas.
O sistema tem de ser colocado a uma certa inclinação, os tubos tem que ser instalados com garantia de aperto fuga. Os filtros têm que ser trocadas
com regularidade.
Estado da Arte
Apesar destes sistemas serem aplicadas ao longo dos séculos, em formas mais ou menos tradicional, um renascimento da moderna técnica tem sido manifesto na Europa ao longo da última década, a construção e análise crítica das instalações de teste e de demonstração, bem como produção de ferramentas de simulação tem permitido melhorar a sua performance e otimizar o seu funcionamento.
Inovação
Controlando as entradas de ar no interior da habitação em função das condições meteorológicas reais, o funcionamento deste pode ser melhorado.
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Princípio de funcionamento
O efeito da estratificação da temperatura do ar nos edifícios pode produzir ventilação quando não existe deslocação do ar exterior. Assim, colocando uma abertura na parte superior do espaço, o ar quente tenderá a sair e será substituído por ar fresco exterior introduzido no edifício por aberturas localizadas a um nível mais baixo.
A chaminé solar pode ser usada para remover ar contaminado indesejado do edifício, ao mesmo tempo extrair o ar fresco do exterior para dentro.
Potencial
A estratégia de renovação do ar por ventilação natural reduz a necessidade de energia para a ventilação e o controle de temperatura.
Durante o dia em dias sem vento as chaminés solares podem ainda fornecer a ventilação natural a um edifício.
Inovação
Controlando as aberturas em condições meteorológicas reais, o funcionamento deste da chaminé solar pode ser melhorado.
Considerações ao projeto
Se a temperatura exterior é alta não se gera uma boa extração por efeito chaminé. Para que funcione corretamente deve existir uma diferença de temperatura entre o ar quente que está na parte mais alta do espaço habitado e o ar exterior.
Para o funcionamento apropriado de uma chaminé solar num edifício deve estar exposta a sul e a sua altura deve exceder o nível do telhado e de uma saída de ar que não seja interferida por ventos predominantes. Desta feita, pode ser vista como elemento estético dado marca presença no especto do edifício.
Uma chaminé solar pode ser combinada com as escadas ou estufas especialmente projetadas ou mesmo ser uma solução que se expanda a tubos enterrados para fornecer o ar fresco.
Estes sistemas, quando devidamente projetados, podem assegurar taxas de renovações horárias de 5 a 10.
Estado da Arte
Existem um enumero de configurações que podem ser usadas para promover renovações de ar no interior dos compartimentos, como por exemplo, chaminés solares verticais ou inclinadas de absorção o transparentes, cilíndricas, etc.
Existem soluções para chaminés solares que funcionam como aspiradores estáticos. Estes aspiradores produzem uma depressão no ar interior devido à sucção produzida por um dispositivo estático, situado na cobertura. Assim o vento ao atravessar este dispositivo vai criar o efeito Venturi, que causa a aspiração do ar interior. Existe uma grande variedade de dispositivos aspiradores estáticos, tanto em termos de tamanho, o que permite a adaptação em vários tipos de cobertura, como em termos de formas.
Princípio de funcionamento
Uma estufa é uma extensão transparente não aquecida do edifício, colocada fora da envolvente do edifício, que atua como um amortecedor térmico. Aumenta a captação solar e minimiza ao mesmo tempo perdas térmicas para o exterior.
Devido às grandes áreas transparentes, uma estufa responde mais rapidamente às mudanças da radiação solar, atingindo temperaturas mais altas e mais baixas e mais rapidamente do que a moradia.
A estufa pode ser usado para pré-aquecer o ar da ventilação em períodos frios ou para arrefecer durante noites de verão quentes.
Potencial
As estufas não são projetadas para a residência permanente. Em períodos frios e quentes o clima interno será demasiado severo. Mas quando o clima é mais moderado a estufa pode ser usado como um espaço ocupacional adicional.
Um espaço solar pode substituir ou complementar sistemas de clima convencionais para o aquecimento de espaço.
Inovação
Um espaço solar pode igualmente ser integrado dentro da envolvente do edifício. O espaço bem isolado torna-se mais apropriado como um espaço vivo nos períodos mais frios. A sua função é ainda captar a radiação solar que possa ainda ser usada para pré-aquecer o ar da ventilação.
Consideração ao projeto
O primeiro requisito para a introdução duma estufa numa habitação é dispor de um espaço orientado a Sul.
Vários aspetos são importantes na conceção de estufas, dos quais se destacam:
- Orientação: desta depende em grande medida a eficácia da captação de energia solar por parte da estufa. A orientação a Sul é sempre a ótima para a estufa adossada, já que neste caso o importante é o incremento dos ganhos na estação fria;
- O tipo de estrutura: dependendo do material que se utilize, o tipo de estrutura do caixilho vai influenciar o fator de obstrução do sistema, pelo que se torna importante otimizar este, para além do especto económico;
- O material transparente empregue: o mais importante fator é o tipo de material transparente utilizado. Deste depende a quantidade de energia transmitida e retida, em função da seletividade do seu espectro. As suas características fixam a opacidade aos comprimentos de onda larga e portanto estabelecem a intensidade do efeito de estufa.
Princípios de funcionamento
A massa térmica é um termo usado para descrever a capacidade que os materiais de construção têm de armazenar o calor (capacidade de armazenamento térmico).
A característica básica dos materiais com massa térmica é sua capacidade de absorver o calor, armazená-lo, e em libertá-lo um tempo mais tarde.
No verão, a massa térmica absorve o calor que entra no edifício. No tempo quente, a massa térmica tem uma temperatura inicial mais baixa do que o ar envolvente e atua como um dissipador de calor. Absorvendo o calor da atmosfera a temperatura de ar interna vai baixando durante o dia, com o resultado que o conforto será melhorado sem a necessidade para arrefecimento suplementar.
Durante a noite, o calor é libertado lentamente pela passagem de brisas frescas (ventilação natural), ou extraído por exaustores, ou é liberado de novo no compartimento próprio.
No Inverno, a massa térmica no pavimento ou nas paredes absorvem o calor radiante do sol através das janelas localizadas a sul, a este e a oeste. Durante a noite, o calor é liberado gradualmente para o compartimento á medida que a temperatura de ar baixa. Isto mantém uma temperatura confortável por algumas horas, reduzindo a necessidade para o aquecimento suplementar durante o início da noite.
Potencial
O uso de materiais de construção pesados com massa térmica elevada (laje de cimento na terra e em paredes de cavidade isoladas do tijolo) pode reduzir o aquecimento total e exigências de energia de arrefecimento até 25% comparado a uma habitação construída com materiais de construção com uma baixa massa térmica (laje aligeirada com soalho de madeira).
A massa térmica conserva a energia no interior da massa acumuladora substituindo ou como apoio a sistemas de aquecimento.
Devido ao efeito da inércia térmica, a massa térmica reduz os balanços internos da temperatura. Consequentemente pode fornecer o aquecimento em períodos frios e arrefecimento durante períodos quentes.
Consideração ao projeto
Com o objetivo de amortecer as oscilações de temperatura, o calor deverá ser armazenado numa massa térmica situada dentro do espaço que recebe a radiação diretamente. As superfícies que recebem diretamente a radiação solar são ligeiramente mais efetivas que as que a recebem por reflexão.
Ao usar a massa térmica como um complemento do sistema de aquecimento ou em determinados compartimentos sejam eles a norte ou a sul é necessário realizar uma reflexão prudente durante o projeto.
A massa térmica, em alguns casos, pode realmente aumentar exigências de energia do Inverno. Onde há pouca possibilidade de ganho solar a norte, ou porque as janelas a sul são demasiado pequenas ou obstruídas (acesso solar pobre), os benefícios fornecidos pelo uso da massa térmica serão mínimos. Cada vez que o aquecimento suplementar é usado, a massa térmica precisa de ser aquecido antes de aumentar a temperatura do ar, aumentando desta forma a energia calorífica necessário.
Estado da arte
A grande capacidade térmica do interior de um compartimento pode ser obtida com paredes de massa térmica, como o betão, expostos, ou, quando uma construção mais leve é preferida, com o uso de materiais com mudança de fase (PCM) embebidos no reboco.
Os materiais de mudança de fase, Phase Change Materials (PCM), como são designados, são materiais capazes de acumular calor latente através da mudança de fase entre o estado sólido e o estado líquido. Essa mudança de fase dá-se a temperatura constante com grande capacidade de acumulação.
Estes materiais têm sido utilizados em paredes acumuladoras por permitirem uma menor quantidade de massa acumuladora, reduzindo o seu volume, e uma vez que permitem libertar a energia a uma temperatura relativamente constante, tornam a possibilidade de sobreaquecimento mais reduzida. Podem ainda ser aplicados em pavimentos e coberturas.
Inovação
Com o armazenamento de energia apropriado o potencial dos elementos que absorvem a radiação direta do sol pode ser melhorados.
Princípio de funcionamento
Os elementos translúcidos nos edifícios constituem o primeiro e mais simples tipo de sistema solar passivo de ganho direto e como tal o sistema mais utilizado No entanto, na maior parte das vezes utilizado duma forma empírica e não intencional.
Segundo o princípio do aquecimento passivo, as janelas comportam-se como painéis solares planos, que captam as radiações deixando passar uma parte para o interior, onde é absorvida. Ou seja, a absorção, armazenamento e libertação de energia, fazem-se diretamente no compartimento. A redistribuição do calor armazenado realiza-se por radiação (em comprimento de onda infravermelho) e convecção natural, regulada principalmente pela posição da massa térmica relativamente aos espaços habitáveis [Mitjà,1986].
Potencial
Em termos gerais, o potencial de uma janela (relação entre ganhos e perdas) em termos de desempenho térmico pode atingir um valor que varia de 40% a 60%, dependendo das condições exteriores [Cusa Juan, 1999]. Compreende-se assim a grande importância, na redução das necessidades de aquecimento, de as janelas serem devidamente dimensionadas e bem orientadas na redução das necessidades de aquecimento.
Existem inúmeras vantagens do sistema de ganho direto em comparação com os restantes sistemas, das quais se destacam:
- O sistema de ganho direto é o de maior rendimento energético, sendo que a energia de radiação por metro quadrado é máxima;
- É um dos sistemas construtivos mais económico, uma vez que os materiais e sistemas utilizados podem ser os mais comuns, mesmo sem necessidade de recorrer a massa térmica adicional;
- A superfície envidraçada permite iluminação natural para os espaços interiores e permite a visibilidade para o exterior (caso de se utilizar vidro ou material translúcido);
- O princípio de funcionamento é simples.
Como desvantagens deste sistema podem apontar-se as seguintes:
- É necessário prever uma grande quantidade de massa de armazenamento térmico do edifício para evitar sobreaquecimentos que provoquem desconforto. Grandes superfícies de captação podem provocar aumento do custo do sistema, pelos envidraçados em si, pela massa térmica adicional e pelos dispositivos de isolamento térmico necessários para proteger os envidraçados das perdas durante a noite;
- Grandes superfícies envidraçadas podem originar falta de privacidade e iluminação natural excessiva;
- Uma má disposição do ocupante face à superfície envidraçada pode originar ofuscamento;
- A radiação direta pode provocar assimetrias nas temperaturas radiantes, podendo provocar desconforto nas horas de maior incidência do sol.
Inovação
As inovações neste sistema solar passivo tem sido realizadas no sentido de reduzir as perdas de calor por transmissão, aumentar a proteção solar ou providenciar várias propriedades controláveis (intensidade do calor e da luz).
Foi possível reduzir as perdas de calor por transmissão do elemento translucido, aplicando proteções de baixa emissividade. Estas são úteis em intervalos de infravermelhos de onda-longa, pelo que melhoram a sua seletividade, a propriedade que permite explorar o efeito de estufa.
A resistência térmica também pode ser aumentada com o uso de gases nobres entre os panos de vidro (árgon, cripton), ou utilizando isolamentos noturnos.
Considerações ao projeto
As pré-condições para um funcionamento eficiente são:
- Correta orientação da janela, preferencialmente a sul, de modo a que os ganhos superem as perdas no Inverno;
- Uma área transparente de janela em concordância com a capacidade de armazenamento térmico do compartimento;
- Uso de dispositivos de sombreamento, como meio de evitar ganhos excessivos no Verão que possam causar sobreaquecimento;
- Isolamento térmico eficiente dos elementos opacos para redução das perdas de calor e isolamento noturno móvel.
A seleção dos envidraçados, que podem ser simples, duplos ou triplos e podem ser instalados em caixilharias simples ou duplas, etc., deve ter em consideração as suas características principais, transmissividade,
1) A escolha entre os vidros simples e múltiplos nem sempre e consensual. A escolha de vidros duplos isolantes, embora seja uma solução inicialmente mais cara, permite aumentar o conforto térmico nas zonas próximas das janelas, oferece uma maior flexibilidade na selecção de produtos disponíveis, reforça o isolamento acústico e reduz as cargas mecânicas. Edifícios que pretendam uma economia substancial nos gastos energéticos devem ser dotados de vidros duplos isolantes em particular se as orientações dos vãos não forem as mais favoráveis e se a eficácia de eventuais sistemas de sombreamento não for a mais adequada. Em locais com climas temperados, vidros simples com um adequado sombreamento exterior podem ser eficazes mesmo se existirem níveis de radiação solar significativos.
2) Escolher uma transmitância visível moderada para controlo do encandeamento. Uma transmissão visível (Tv) de 50% a 70% é um bom ponto de partida, dependendo, no entanto, do tipo de tarefas visuais, das dimensões dos vãos envidraçados e da sensibilidade ao encandeamento dos ocupantes. Quanto maior for a área de envidraçados, mais crítico é o controlo do encandeamento e, consequentemente, mais baixa deverá ser a transmitância visível.
3) Ter em consideração as características climáticas da zona de implantação do edifício, a orientação e dimensões dos envidraçados. Se o objetivo primordial for o controlo dos ganhos solares de Verão, deverão ser escolhidos envidraçados com fatores solares o mais baixos possível associado a transmitâncias visíveis o mais elevadas possível.
4) Os dispositivos de proteção podem funcionar como sistemas de proteção da radiação solar direta, ou difusa, e como isolantes térmicos. Os dispositivos de sombreamento exteriores são mais eficientes pois evitam que a radiação solar atinja o envidraçado, enquanto os dispositivos de sombreamento interiores apenas bloqueiam a passagem da radiação quando esta já se encontra no interior do edifício, ou seja, a energia calorífica acumula-se entre o envidraçado e o dispositivo de sombreamento. O sombreamento pelo exterior é mais eficaz na redução dos ganhos solares (cerca de 80%) uma vez que intercepta os raios solares antes destes atingirem os envidraçados, como mostra a Figura 15 [Santos A, 2005].
Os sombreadores exteriores são, em geral mais caros de instalar e de manter e desempenham também um importante papel em termos estéticos, no edifício. As reduções das necessidades energéticas de arrefecimento conseguidas com a existência de dispositivos de sombreamento exteriores em vez de interiores são superiores a 70%, e em relação à inexistência de quaisquer dispositivos de sombreamento [Monteiro Silva, 2001].
Nesta tentativa de alcançar um bom desempenho do envidraçado, para além do seu correto dimensionamento, muito contribui a envolvente interior do edifício. Os parâmetros que podem condicionar o seu dimensionamento são a sua inércia térmica (capacidade dos materiais acumularem calor) e a cor e textura das superfícies. As características básicas destes materiais com massa térmica são a sua capacidade de absorver e acumular calor e o desfasamento que permitem entre a captação e a restituição dessa energia acumulada.
Em alguns casos, a inércia térmica pode aumentar as necessidades de aquecimento, sobretudo quando as áreas das janelas são demasiado pequenas.
Estado da Arte
Outros materiais transparentes ou translúcidos, alternativos ao vidro tais como os acrílicos, os vidros duplos e triplos com isolamentos na caixa-de-ar e as placas de policarbonato, constituem soluções interessantes do ponto de vista da otimização energética das construções. Ao associarem uma grande transmissibilidade e consequentes ganhos térmicos diretos, com uma boa capacidade de isolamento térmico e assim a manutenção do calor no interior dos edifícios durante a noite, mesmo sem recurso a sistemas de oclusão noturnos, são muitas vezes chamados de isolamentos transparentes ou translúcidos (TIMs). Estes materiais conseguem uma transmissão da radiação solar superior a 50% e uma condutibilidade térmica inferior a 0.2W/m2.ºC.
Mais recentemente, a aplicação de aerogel em placas de vidro. Este material constitui uma nano-estrutura híbrida, que resulta da junção de vidro e polímeros híbridos (materiais transparentes) e aerogel (material isolante). Possuem um U abaixo de 0.7W/m2.ºC, e uma transmissão solar de cerca de 76%.