Reabilitação energética de vãos de janela
António Moret Rodrigues
Correio electrónico: [email protected]
João Ferreira Gomes
Correio electrónico: [email protected]
Resumo
Nos países europeus mais desenvolvidos, os impactes ambientais associados ao crescimento acentuado dos consumos
energéticos têm vindo a merecer uma atenção especial por parte da Comissão Europeia, que tem desenvolvido
importantes acções para a promoção da sustentabilidade económica e ambiental nos países membros. Uma das
indústrias com maiores repercussões a nível energético e ambiental é a da Construção, sendo o sector dos edifícios
responsável por uma importante parte dos consumos de energia e das emissões poluentes para o ambiente, sobretudo
através dos sistemas de aquecimento, arrefecimento e iluminação. Melhorar os níveis de conforto e de qualidade dos
edifícios, sem hipotecar os valores ambientais, constitui-se como o maior desafio colocado aos diversos agentes da
construção. Este princípio deve aplicar-se naturalmente à construção nova, mas também às obras de reabilitação,
nomeadamente de edifícios residenciais, por se tratar de um sector em crescente expansão atendendo ao envelhecimento do parque edificado e à satisfação relativa das necessidades habitacionais. Neste contexto, a reabilitação energética,
dirigida para a melhoria das características térmicas da envolvente e/ou da eficiência dos equipamentos pode desempenhar um importante papel no objectivo de economizar energia nos edifícios. No que toca à envolvente, os vãos envidraçados constituem um dos componentes de tradicionalmente mais fraco desempenho a nível térmico, pelo que a melhoria
das suas propriedades a este nível deverá ser sempre uma operação a equacionar em qualquer projecto de reabilitação
energética. No presente artigo faz-se uma avaliação económica e ambiental de alguns sistemas de caixilharia, utilizados
em edifícios residenciais, como possíveis soluções de reabilitação de vãos de janela.
Palavras-chave: Reabilitação, Energia, Janelas, EnergyPlus.
1
1 Introdução
utilização de gases especiais (com baixa condutibilidade térmica) de
O grande desenvolvimento tecnológico verificado nos últimos anos, ao nível
preenchimento dos espaços de ar, e de espaçadores periféricos dos vidros
dos envidraçados e dos caixilhos de suporte, e uma regulamentação mais
com o objectivo de reduzir as pontes térmicas entre estes e o caixilho. No
exigente no domínio do conforto e energia, são factores que têm contribuí-
que respeita aos caixilhos, podem também encontrar-se diferentes
do para uma melhoria geral e gradual da qualidade térmica da caixilharia
desempenhos relativamente às trocas de calor por condução térmica, as
instalada em edifícios recentes. Porém, uma parte importante dos edifícios
quais dependem sobretudo das formas dos perfis (espessura de septos, no
mais antigos, pelo menos até ao início dos anos noventa - altura da entrada
de câmaras de ar, etc.) e do material de constituição. A permeabilidade ao
em vigor da regulamentação térmica (RCCTE) - conserva ainda os vãos
ar pode ser também um factor importante de trocas térmicas, dependendo
envidraçados originais, à base de panos simples de vidro incolor e caixilhos
muito do fabricante e da tipologia da janela.
madeira ou de alumínio, neste caso sem corte térmico. Uma das questões
No que respeita ao controlo solar, a utilização de vidros de cor ou com
que se pode colocar é se é indiscutível, do ponto de vista económico e
películas especiais não é muito comum em edifícios residenciais, onde a
ambiental, e numa perspectiva puramente energética, a substituição destes
solução corrente continua a ser a de protecções exteriores ou interiores ao
vãos por outros de melhor qualidade, quer no quadro de uma reabilitação
vão.
específica que encare apenas esses elementos, quer no quadro de uma
remodelação mais geral em que surge a oportunidade de também
3 Problema em estudo
remodelar este tipo de componentes.
A análise realizada neste artigo incide sobre um dos fogos do edifício que
Neste artigo mostra-se que o processo de decisão envolve muitas variáveis
se mostra na Figura 1. Trata-se de um edifício habitação localizado em
e pode não conduzir a um resultado único, quer na perspectiva do
Lisboa, com dois fogos por piso, paredes de alvenaria de tijolo furado,
utilizador, onde está sobretudo em causa o aspecto económico, quer do
estrutura de betão armado e caixilharia de alumínio de vidro simples. O fogo
ponto de vista da sociedade, onde os impactes ambientais também devem
é o que se mostra na Figura 1, tem uma área útil de 91.1 m2 e localiza-se
ser incluídos no processo de decisão.
sob a cobertura.
2 Desempenho térmico de uma caixilharia
A escolha de uma caixilharia, quer para uma construção nova quer para um
edifício a reabilitar, é uma decisão de grande importância em vários
domínios da física dos edifícios – térmica, acústica, ventilação, iluminação
natural. No capítulo da térmica, o aspecto que está em causa é a redução
dos consumos energéticos e a melhoria geral das condições de conforto. A
redução dos consumos, que é um parâmetro objectivo e sobre o qual este
artigo se concentra, deve verificar-se quer para a estação de aquecimento
quer para a estação de arrefecimento. Se, na estação de aquecimento,
uma boa capacidade de isolamento térmico dos envidraçados é uma
exigência fundamental, na estação de arrefecimento podem ter que ser
e
NW
c d
exigidas aos vidros propriedades adicionais de controlo da radiação solar,
1.10 m
nomeadamente em caso de protecção solar insuficiente por elementos
Int.
Ext.
complementares do vão.
a
b
No que respeita à melhoria da capacidade isolante da parte envidraçada, as
soluções mais comuns recaem normalmente no aumento do número de
panos de vidro e/ou da espessura dos espaços de ar em caso de vidros
múltiplos. Estas soluções podem, por sua vez, ser reforçadas com a
Fig 1 Problema em estudo
2
Tipologia da janela
Janela de correr de
alumínio de vidro
simples
Janela de correr de
alumínio de vidro
duplo c/ corte térmico
Parâmetro
Unidades
lxh
mxm
1.20x1.10
3,24x1,10
1,20x1,10
3,24x1,10
1,20x1,10
3,24x1,10
eg1/ea/eg2
mm
8
8
4/12/4
4/12/4
6/14/4
6/14/4
Ag
m2
0,96
2,84
0,78
2,51
0,68
2,47
Af
m2
0,36
0,72
0,54
1,05
0,64
1,09
a
m
0,119
0,112
0,115
0,090
0,138
0,138
b
m
0,119
0,112
0,115
0,090
0,138
0,138
c
m,
0,015
0,015
0,005
0,005
0,029
0,029
d
m
0,015
0,015
0,005
0,005
0,026
0,026
e
m
0,065
0,065
0,110
0,110
0,119
0,119
Ucg
W/m2ºC
5,70
5,70
2,90
2,90
2,80
2,80
Ueg
W/m2ºC
-
-
3,48
3,48
2,93
2,93
Uf
W/m2ºC
5,88
5,88
2,45
2,45
1,35
1,35
Q
m3/h/m2
12
12
9
9
1,1
1,1
Janela oscilo-batente
de PVC de vidro duplo
Tabela 1 Características dos vãos envidraçados.
As paredes exteriores são duplas de alvenaria de tijolo furado (11/4/11cm),
de U=0.8 W/m2ºC.
rebocadas em ambos os lados de forma a perfazer a espessura total de 30cm.
Relativamente aos vãos envidraçados, apresentam-se na Tabela 1 as
As paredes da caixa de escada e de separação de fogos são em alvenaria
características geométricas e comportamentais das diferentes tipologias de
simples de tijolo furado (22cm) rebocada em ambos os lados, com uma
janela analisadas neste trabalho, onde figura não só a solução original de
espessura total de 25cm. As paredes divisórias, com importância para a
caixilharia de alumínio de vidro simples, como também mais duas soluções
massa térmica, são em alvenaria simples (11cm) de tijolo furado rebocada
de caixilharia que se admitiram como possíveis alternativas de reabilitação
em ambos os lados com uma espessura total de 15cm. Em função desta
da caixilharia existente.
constituição apuraram-se para coeficientes de transmissão térmica U=1.2
Na Tabela 1 listam-se, sucessivamente, os valores dos seguintes parâme-
W/m ºC para as paredes exteriores e U=1.6 W/m ºC para as paredes da
tros: largura x altura do vão (l x h), espessuras dos vidros e caixa de ar
2
2
envolvente interior.
(eg1/ea/eg2), área de vidro (Ag), área de caixilho (Af), geometria dos perfis e do
Quanto à envolvente horizontal, as lajes têm 15cm de espessura e a
seu posicionamento no vão de acordo com a Figura 1 (a, b, c, d, e),
cobertura é em terraço tradicional com camada de forma, impermeabiliza-
coeficientes de transmissão térmica da zona central do envidraçado (Ucg),
ção, isolamento térmico (3cm) e camada de protecção. Este conjunto, com
da zona dos bordos do envidraçado (Ueg) e do caixilho (Uf), e permeabilida-
a laje de suporte incluída, apresenta um coeficiente de transmissão térmica
de do caixilho (Q).
3
De referir que nesta esta análise foram incluídos os efeitos de bordo na
diferencial de pressão que deve ser fornecido pelos fabricantes. No
ligação entre vidros e caixilhos, no que toca ao acréscimo de trocas
presente caso, os valores foram obtidos para p = 50 Pa. Nestas condições,
térmicas que aí se verifica, e os fluxos de calor gerados pela maior ou
o coeficiente de escoamento (Cs) pode obter-se da seguinte lei de potência:
menor permeabilidade ao ar da caixilharia.
Q = Cs Δ p n
Os efeitos de bordo dependem da natureza dos elementos separadores
dos vidros. Para traduzir estes efeitos, uma das vias possíveis consiste em
que estabelece a relação entre o caudal que passa numa abertura e a
recorrer a um coeficiente de transmissão térmica linear apropriado que
diferença de pressão entre os dois lados da mesma. Para a avaliação da
actua sobre o perímetro visível do envidraçado. Esta é a via seguida pela
permeabilidade ao ar das caixilharias é usual tomar para o expoente o valor
ISO [1], e que é adoptada pela normalização europeia. A outra via consiste
de n=2/3.
em caracterizar a faixa periférica do envidraçado através de um coeficiente
de transmissão térmica distinto (Ueg) do da zona central (Ucg), sendo este o
4 Resultados das simulações
método da NFRC [2] , e que é também o adoptado pela ASHRAE [3] .
O problema apresentado foi implementado no programa EnergyPlus [4],
Nesta análise foi adoptado este segundo método, tendo-se utilizado para a
que é um software de análise termo-energética de edifícios que permite
determinação de Ueg a seguinte relação proposta em [3] , que é função
simular também as condições de ventilação natural. O fogo em questão foi
apenas do coeficiente de transmissão térmica da zona central do vidro e da
simulado para dois períodos de 4 meses - um de Novembro a Fevereiro e
natureza dos elementos separadores:
o outro de Junho a Setembro - em regime de temperatura interior controlada. Para esta temperatura foi fixado um limite inferior de 20ºC nos 4 meses
2
Ueg = A + B . Ucg + C . Ucg
de aquecimento e um limite superior de 22ºC nos 4 meses de arrefecimen-
em que os coeficientes A, B e C dependem do tipo de separador. Estas
to. Em ambos os períodos foram realizadas três simulações, de que se
constantes são, para o caso de separadores isolantes (termoplástico, por
mostram alguns dos resultados nas Figuras 2 e 3, correspondentes às três
exemplo) A=0.681, B=0.682 e C=0.043, e para o caso de separadores
soluções de envidraçados já referidas. O ficheiro climático foi o do ano tipo
metálicos (alumínio, por exemplo), A=1.266, B=0.842 e C=0.027.
de Lisboa.
Relativamente à permeabilidade ao ar das caixilharias, os valores dos
Na Figura 2 estão representados os ganhos e as perdas de calor através
caudais Q correspondem a valores de referência associados a um dado
dos vãos envidraçados (por m2 de área útil do fogo) no período de
10
Vidro+caixilhos
Infiltrações
Perdas e Ganhos pelos vãos (kWh/m2.ano)
8
7
30
29,6
27,9
27,8
26,2
25,3
25
Alumínio
Vidro simples
6
5
4
Aquecimento
Arrefecimento
Consumo de Energia (kWh/m2.ano)
9
35
Vidro
+
caixilhos
+
infiltrações
Alumínio
Vidro duplo
PVC
Vidro duplo
3
2
1
0
PERDAS
GANHOS
Figura 2 Perdas e Ganhos de calor através dos vãos de Novembro a Fevereiro.
24,7
20
15
10
5
0
Alumínio
Vidro simples
Alumínio
Vidro duplo
PVC
Vidro duplo
Figura 3 Consumo de energia de aquecimento e arrefecimento do fogo.
4
aquecimento para os três tipos de solução de janelas. Por sua vez, a Figura
nas duas janelas da fachada SE e investir numa solução de melhor
3 mostra os consumos de energia do fogo necessários para manter a sua
qualidade apenas nas duas janelas de NW. Como solução de melhor
temperatura interior nos valores de conforto já referidos.
qualidade considerou-se a janela de PVC oscilo-batente de vidro duplo já
A primeira nota a realçar da Figura 2 é o facto das soluções de vidro duplo,
caracterizada anteriormente. Por sua vez, para apurar os consumos
em caixilharia de alumínio com corte térmico e em caixilharia de PVC, de
energéticos associados à situação intermédia de utilização conjunta de
certa forma se equivalerem, com uma ligeira vantagem desta última
duas soluções de janelas diferentes - caixilho de alumínio de vidro simples a
relativamente ao isolamento térmico mas que, no caso dos ganhos de calor
SE e caixilho de PVC de vidro duplo a NW -, foi também realizada uma
na estação fria, perde ligeiramente para a solução de alumínio. Para além
simulação específica com o EnergyPlus, em tudo idêntica às apresentadas
das diferenças ao nível do material dos caixilhos, estes resultados são
anteriormente para o cenário de utilização separada das duas soluções.
também explicados por outras diferentes características entre as duas
Relativamente aos sistemas de climatização e fontes de energia associa-
soluções: maior área de vidro da solução de alumínio a que se associa
das, analisam-se os casos de caldeira a gás natural e a gás propano
também um menor factor solar por menor espessura global de vidro (Tabela 1).
canalizado, para o aquecimento, e de um sistema de bomba de calor
Verifica-se que, no que respeita às perdas de calor, a diferença é considerá-
funcionando a energia eléctrica, para o arrefecimento. Se PCI for o poder
vel entre a solução de vidro simples e a de vidro duplo, o que, deste ponto
calorífico inferior (no caso do gás), e η for o rendimento do sistema -
de vista, e como seria de esperar, faz desta última solução a preferida em
tomado como o COP para o caso da bomba de calor -, a despesa anual D
termos de qualidade de desempenho térmico no Inverno. Entretanto,
(€/ano) correspondente a um dado consumo energético anual E (kWh/ano),
quando se observa o gráfico dos consumos de energia para manter a
vem dada por:
temperatura ambiente do fogo no valor de conforto (Figura 3), verifica-se
D=
que, no que respeita ao consumo de energia de aquecimento, a diferença
E
.C
u
PCI x η
entre as soluções de vidro simples e de vidro duplo curiosamente não
em que Cu é o custo unitário de energia, que depende da fonte utilizada
reflectem o desnível observado a respeito das perdas de calor. Isso deve-se
(gás natural, gás propano ou electricidade). À utilização de cada fonte
ao facto dos vidros simples (menor factor solar) contribuírem com maiores
energética está também associada uma dada de produção de CO2 -
ganhos passivos no Inverno do que os vidros duplos (maior factor solar), o
caracterizada por um factor de emissão (Femiss) -, cujo conhecimento é
que faz com que, em termos de balanço global de energia necessária para
fundamental em qualquer estudo de impacte ambiental, pelas implicações
o conforto, as diferenças entre uma e outra solução fiquem atenuadas.
que tem no efeito de estufa. Na Tabela 2 resumem-se as características dos
Relativamente ao consumo de energia de arrefecimento, as diferenças entre
sistemas de climatização e do combustível ou vector energético utilizado.
vidro simples e vidro duplo também não são muito significativas, já que a
parcela directa da radiação solar, de importância crítica para os ganhos de
calor no Verão, é igualmente travada nos dois casos por uma protecção
Aquecimento
solar exterior adequada, que foi implementada no programa de simulação.
Arrefecimento
Parâmetro
Unidades
Gás Natural/
Caldeira
(GN)
Gás Propano/
Caldeira
(GP)
Electricidade/
Bomba de Calor
(BC)
dos (e sem valor residual), colocando-se duas alternativas: a solução de
Cu
€
0,5437/m3
2,71/m3
0,0988/kWh
continuidade, de aplicar uma caixilharia de características idênticas à
η
-
0,9
0,9
3
PCI
kWh/m3
10,53
23,72
-
Femiss
gCO2/kWh
200,9
226,8
229,6
5 Avaliação económica e ambiental
Para avaliar a oportunidade de reabilitação dos vãos envidraçados,
admite-se um cenário em que os caixilhos existentes devem ser substituí-
existente, ou uma solução de melhor qualidade, investindo numa caixilharia
com um desempenho térmico superior à solução original. Neste quadro,
analisar-se-ão os casos de aplicação de uma ou outra solução a todas as
janelas do fogo e também o caso intermédio de aplicar a solução original
Tabela 2 Características dos sistemas e das fontes de energia.
5
Quanto ao custo das janelas, os valores admitidos, baseados em preços
que implicar um custo global menor. Sendo D a despesa anual, que se
correntes do mercado, são os indicados na Tabela 3, em função do
supõe constante durante a vida do projecto, o custo global de uma dada
fabricante e das dimensões da caixilharia.
alternativa é calculado por:
Cg = I +
Custo dos modelos de janela (€)
Dimensões
(mxm)
1,20x1,10
3,24x1,10
Janela de alumínio
de vidro simples
Janela oscilo-batente
de PVC de vidro duplo
125
200
270
1 - ( 1 + i ) -N
i
.D
Tendo em conta as relações anteriores, apresentam-se na Tabela 4 o
cálculo do custo global para as três alternativas de substituição dos vãos
envidraçados e as correspondentes emissões de CO2. Foi considerada uma
vida útil de 50 anos para os dois tipos caixilharia, uma taxa i=0.03 e
420
admitidas nulas as despesas de manutenção. Deste modo, a despesa
Tabela 3 Custo da caixilharia
anual (D) resume-se à soma das despesas com o aquecimento (Daquec) e
De forma a avaliar as diferentes alternativas de reabilitação dos vãos
arrefecimento (Darref) do fogo.
envidraçados utilizou-se o método do custo global (Cg), que é bem
conhecido da análise de projectos. Neste método apura-se o custo global
Como se observa da Tabela 4, os resultados variam consoante a perspecti-
de cada uma das soluções entrando em conta com o investimento inicial (I)
va de análise. No caso de um fogo com caldeira a gás propano, a
e todas as despesas (D) e receitas se também for o caso que ocorrem num
estratégia mais vantajosa é a da aplicação de caixilharia de PVC de vidro
dado horizonte de projecto de N anos, depois de devidamente actualizadas
duplo na totalidade das janelas. Mas, no caso de um fogo com caldeira a
a uma dada taxa de “interesse” (i). A alternativa vencedora é naturalmente a
gás natural, a alternativa aconselhada passa a ser a aplicação de caixilharia
Tipologia da janela
Parâmetros
Unidades
4 Janelas de Alumínio
de alumínio de vidro
simples
4 Janelas de PVC
de vidro duplo
2 Janelas de Alumínio
+ 2 Janelas de PVC
de vidro duplo
GN/BC
GP/BC
GN/BC
GN/BC
GN/BC
GN/BC
I
€
645.0
645.0
1020.0
1020.0
795.0
795.0
Eaquec
kWh/ano
2698.9
2698.9
2538.4
2538.4
2584.8
2584.8
Daquec
€/ano
154.8
342.6
145.6
322.2
148.3
328.1
Earref
kWh/ano
2391.1
2391.1
2252.7
2252.7
2343.2
2343.2
Darref
€/ano
78.7
78.7
74.2
74.2
77.2
77.2
D
€/ano
233.6
421.4
219.8
396.4
225.5
405.3
Cg
€
6655.0
11486.3
6675.9
11219.9
6595.9
11222.9
Emissões
kgCO2/ano
1091.2
1161.1
1027.2
1092.9
1057.3
1124.2
Tabela 4 Características dos vãos envidraçados.
6
de PVC de vidro duplo nas janelas de NW e refazer a solução original para
as janelas de SE. Também, qualquer que seja a alternativa, observa-se uma
grande disparidade de valores entre as soluções de aquecimento a gás
natural e a gás propano, o que sugere a necessidade de um estudo de
viabilidade económica sobre a reconversão das instalações de gás propano
para gás natural.
Relativamente às emissões de CO2 anuais, verifica-se que a alternativa mais
vantajosa para a sociedade é a da aplicação de caixilharia de PVC de vidro
duplo em todas as janelas do fogo, independentemente do tipo de
combustível utilizado para o seu aquecimento.
7 Conclusões
Neste artigo foi efectuada uma avaliação de três alternativas de reabilitação
energética dos vãos envidraçados de um fogo de um edifício de habitação
localizado em Lisboa. As janelas a substituir eram em caixilharia de alumínio
de vidro simples e as alternativas consideradas foram: (1) solução igual à
original; (2) aplicar caixilharia de PVC de vidro duplo em todas as janelas e;
(3) na fachada SE aplicar a solução original e na fachada NW aplicar a
solução de PVC. O estudo mostrou que a alternativa mais vantajosa para o
utilizador é a segunda ou a terceira, consoante a caldeira seja a gás
propano ou gás natural, respectivamente. Na perspectiva da sociedade, a
alternativa mais favorável, por libertar menor quantidade de CO2 para o
ambiente, foi a segunda, independentemente do combustível utilizado.
7
Bibliografia
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Standardization Organization, 1994.
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[3] ASHRAE 1993, ASHRAE Handbook – Fundamentals, American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Chapter
27, USA, Atlanta, 1993.
[4]Lawrence Berkeley National Laboratory, 2001, EnergyPlus Engineering Document: The Reference to EnergyPlus Calculations, 2001.
8