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eficiência energética na construção
sistemas de pré-aquecimento passivo
do ar de ventilação – parte ii
Jorge S. Carlos1, Helena Corvacho2, Pedro D. Silva1 e J. P. Castro-Gomes1
1
C-MADE, Centre of Materials and Building Technologies, Universidade da Beira Interior
2
Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia (FEUP), Departamento de Engenharia Civil – Secção de Construções Civis, Laboratório de Física das Construções
1. INTRODUÇÃO
Pretende-se concluir, neste artigo, a apresentação de um conjunto de sistemas possíveis
para o pré-aquecimento passivo do ar de
ventilação.
Recorda-se que os diversos sistemas destinados ao pré-aquecimento passivo do ar de ventilação, que têm sido estudados e adaptados
em projectos ao longo dos últimos anos, podem
agrupar-se da seguinte forma:
– Estufa;
– Tubos enterrados;
– Coletores solares a ar:
. Transparente;
. Opaco perfurado;
Proteção
solar
Sol
Envidraçado
exterior
Envidraçado
interior
Parede
opaca
Espaço
ventilado
>1
> Figura 1: Esquema de uma fachada dupla ventilada.
44_cm
– Fachada dupla ventilada:
. Transparente;
. Semi-transparente;
– Janelas ventiladas:
. Caixilho duplo;
. Duas janelas.
Num primeiro artigo, foram apresentados os três
primeiros sistemas, concluindo-se, neste artigo,
com a apresentação dos restantes dois sistemas.
2. FACHADA DUPLA VENTILADA
2.1. Fachada dupla transparente ventilada
Uma fachada dupla transparente ventilada
é um sistema geralmente composto pela
fachada tradicional de um edifício à qual é
adicionado um forro exterior transparente e
respectiva estrutura. O forro assim constituído está separado da fachada tradicional
criando um canal de ar de largura variada.
Não existindo uma definição de limites para a
largura da cavidade, esta poderá ter qualquer
dimensão (podendo-se até incluir, no limite,
por exemplo, os átrios). No entanto, para
balizar o objecto presentemente em análise, a fachada dupla transparente ventilada
corresponderá àquelas fachadas cujo canal
de ar não possui dimensões suficientes para
se contabilizar como área útil edificada, cor-
respondendo esquematicamente ao que se
ilustra na Figura 1.
A circulação do ar faz-se do exterior, entrando
por uma abertura colocada na base da fachada,
sobe no canal de ar por via da acção do vento
e/ou pela acção térmica e entra no edifício a
uma temperatura mais elevada do que a do ar
exterior. Aproveita a radiação solar incidente
e as perdas térmicas vindas do interior, melhorando o conforto térmico e reduzindo as
necessidades energéticas do edifício.
Diferentes conceitos de utilização das fachadas duplas poderão ser encontrados, dependendo dos efeitos pretendidos. Para promover
a ventilação natural no sentido de manter uma
boa qualidade do ar interior será necessário
conceber uma fachada dupla de admissão do
ar exterior. Nestes modelos a ventilação (renovação do ar) far-se-á aos compartimentos
adjacentes à fachada ou abrangendo uma
maior profundidade através de uma ventilação
cruzada do edifício [1], conforme esquemas
ilustrados na Figura 2.
Este tipo de sistema começa a ser utilizado na
renovação de edifícios existentes. Além de préaquecer o ar fresco do exterior contribui para a
redução das perdas térmicas e promove a melhoria do conforto térmico interior, no inverno,
ao aumentar a temperatura superficial interior
das paredes, sendo um sistema complexo com
muitas variáveis a analisar [2], nomeadamente
o clima local. No entanto, há que ter muita aten-
Alçapão
Saída de ar
Entrada de ar
Saída de ar
Fluxo
de ar
Fluxo
de ar
Interior
Interior
Entrada de ar
Entrada de ar
>2
ção com o desempenho deste tipo de sistemas
no verão, uma vez que o seu funcionamento
pode tornar-se crítico e invalidar os benefícios
obtidos, durante o inverno, com a protecção
da fachada e o pré-aquecimento do ar de
ventilação. No verão, há que tomar medidas
para evitar o sobreaquecimento, recorrendo a
protecções solares adequadas e à ventilação
franca do espaço de ar com extracção do ar
para o exterior.
A fachada dupla ventilada, especialmente
concebida em vidro, é um sistema construtivo
ainda recente em Portugal. Independentemente da tipologia concebida, o grande pano de fachada envidraçado é comum a estes edifícios.
Temos, a título de exemplo os edifícios da Caixa
Geral de Depósitos e da Portugal Telecom –
Expo 98, em Lisboa com ventilação híbrida e os
edifícios Palácio Sotto Mayor e Zen Tower, em
Lisboa ambos com ventilação natural.
2.2. Fachada dupla semi-transparente
ventilada
Quando se integra na envolvente do edifício
um ou mais painéis fotovoltaicos é desejável a
criação de um canal de ventilação associado à
face posterior para arrefecimento dos elementos geradores de energia eléctrica no sentido
de aumentar a sua eficácia de produção energética, que seria reduzida com o aumento da
temperatura do painel [3, 4]. Uma fachada dupla semi-transparente ventilada composta por
painéis fotovoltaicos é então composta por um
ou mais painéis fotovoltaicos, uma caixa-de-ar
ventilada, a parede do edifício. Um sistema de
painéis fotovoltaicos inseridos na fachada,
Fluxo de ar
Parede
Interior
Fotovoltaico
>3
com uma cavidade ventilada na face posterior
poderá desempenhar um papel importante no
desempenho térmico do edifício (Figura 3).
Numa fachada com um forro semi-transparente
composta por painéis fotovoltaicos, como por
exemplo o Edifício Solar XXI, em Lisboa, parte
da energia solar incidente é absorvida pelo
painel que a transforma em energia eléctrica e
parte em calor que transfere para o caudal de
ar na cavidade. Parte da energia solar incidente
atravessa o forro incidindo na parede do edifício,
que por sua vez transfere parte da energia solar
absorvida para o caudal de ar no canal de ventilação. O processo térmico de transferência de
calor para o caudal de ar no canal torna-se assim
complexo, devido às interacções entre o espaço
interior, o espaço ventilado, os painéis fotovoltaicos e as condições ambientes externas. No
verão será necessário encaminhar a ventilação
do canal de ar para o exterior evitando o sobreaquecimento do espaço interior.
do interior do edifício para o exterior através
do pano interior da janela. O comportamento
da janela é influenciado pelas condições climáticas (temperatura do ar exterior, radiação
solar e características do vento), bem como
pela temperatura do ar interior. O nível de
isolamento térmico do conjunto envidraçado
é variável em função da passagem do ar
através da caixa-de-ar, e traduz-se no valor
de U-equivalente (Ueq, em W/m2K) do conjunto
envidraçado, tendo em conta a recuperação
de calor por via da ventilação. No verão, há
que cortar com o fornecimento de ar para o
interior do edifício através deste sistema e
recorrer a protecção solar adequada para
evitar o sobreaquecimento. A existência do
canal de ar deverá ser desactivada para evitar
o efeito de estufa, sendo a sua concretização,
nestes casos, mais fácil do que nos sistemas
anteriormente descritos.
3.2. Janela com caixilho duplo
3. JANELAS VENTILADAS
3.1. Definição
Uma janela ventilada corresponde ao preenchimento de um vão de fachada com um sistema
envidraçado, com um canal de ar ventilado.
Através de aberturas, exterior, na base e interior, no topo dos envidraçados, permite que o ar
fresco entre pela base do canal de ar, entrando
no edifício pelo topo. Exposta à radiação solar,
a janela ventilada é atravessada pelo ar fresco
que entra no edifício e que é previamente
aquecido pela energia solar absorvida pelos
envidraçados e pelo calor que se transmite
Uma das formas de se concretizar a janela ventilada é através da instalação de um caixilho
duplo. Trata-se de uma janela composta por
dois caixilhos ligados entre si, integrando um
pano de vidro cada um e formando um canal de
ar entre eles (Figura 4) [5]. O ar é pré-aquecido
na caixa-de-ar de duas formas:
– Pela energia solar absorvida pelos elementos constituintes do vão (vidro e caixilhos);
– Pelo calor que se transmite do interior do
edifício através do pano de vidro interior.
Em diversos estudos levados a cabo no
Building Research Establishment’s Scottish
> Figura 2: Ventilação do espaço contíguo à fachada e ventilação cruzada.
> Figura 3: Esquema ilustrativo do funcionamento no inverno de um painel fotovoltaico ventilado.
cm_45
eficiência energética na construção
Laboratory [5], foram comparados os resultados de simulações efectuadas com recurso
a programas de cálculo com os resultados das
medições efectuadas em laboratório. Nestes
estudos, procurou-se optimizar a geometria da
janela ventilada de forma a obter um fluxo de ar
laminar, o que levou ao ensaio de janelas com
caixas-de-ar de 10, 20 e 30 mm de espessura.
Neste sistema, poderão ocorrer condensações
no pano de vidro exterior, caso o sentido do
fluxo de ar se inverta. Este fenómeno foi observado em ensaio num apartamento em Londres,
com janelas colocadas em ambos os lados do
edifício, virados a barlavento e a sotavento.
Quando utilizado na fachada contrária à da
incidência do vento, para certas condições de
temperatura, o sistema terá tendência para
funcionar como extractor de ar.
3.3. Duas janelas
3.3.1. Funcionando sem elemento absorsor
intermédio
A concretização de um vão envidraçado ventilado pode também ser conseguida através
da instalação de duas janelas independentes
no mesmo vão.
Os envidraçados das habitações Portuguesas,
são em geral, compostos por um caixilho e um
pano de vidro, simples ou duplo. No exterior da
janela, coloca-se uma persiana que permite
ocultar os indesejáveis raios solares no Verão
e proporcionam segurança extra durante o
período nocturno, bem como ocultação de
vista e maior resistência térmica. Como os
elementos constituintes da caixa de estore são
de baixo isolamento acústico e térmico, bem
como de forte permeabilidade ao ar, surgiu de
uma forma natural e espontânea uma solução
generalizada para resolver os problemas de
desconforto que se verificavam. Essa solução passou pela colocação de uma segunda
janela pelo exterior da persiana, passando a
existir uma cavidade não ventilada entre as
duas janelas onde funciona a persiana. Com
a introdução desta segunda janela, na óptica
do utilizador, reduzir-se-ia o nível de ruído no
interior da habitação mas principalmente as
frias infiltrações indesejáveis e incontroláveis.
Constatando uma redução das infiltrações
mas também a existência de um deficiente
sistema de ventilação das habitações, decorreram na Universidade da Beira Interior
com o apoio do Laboratório de Física das
Construções, da FEUP, estudos no sentido de
adaptar este conhecido sistema construtivo
a um sistema passivo de ventilação natural
com o pré-aquecimento do ar, com o intuito
de reduzir o consumo energético devido às
perdas térmicas pela ventilação, evitando ou
reduzindo o desconforto pontual com a entra-
da de ar fresco directamente do exterior, em
tempo frio. Para o efeito é introduzida uma ou
mais aberturas para entrada de ar exterior na
base da janela exterior, bem como na tampa
interior da caixa de estore para insuflação do
ar no interior do edifício (Figura 5). O elemento
de obstrução solar aqui não terá o papel de
colector solar, uma vez que durante o Inverno
estará recolhido para permitir a entrada da
radiação solar no interior do edifício. A janela
interior, poderá ter um pano de vidro simples
ou duplo e o afastamento entre elas será o
que a espessura da parede permitir, sendo o
mínimo o necessário para albergar o estore e
respectivos acessórios.
Os ensaios levados a cabo, para uma temperatura interior fixa de 20ºC, contemplam dois
canais de ar com uma profundidade média
de cerca de 7 cm e 19 cm. O acréscimo de
temperatura que se conseguiu obter com o ar
de ventilação à saída da dupla janela ventilada
para ausência de radiação solar oscilou entre
cerca de 4 a 7 ºC, para uma diferença de temperatura entre o interior e o exterior em cerca de
17 e 14ºC [8]. O caudal obtido durante o período
de ensaios mostrou uma grande variabilidade
de resultados, tal como aconteceu com os
factores climáticos, com especial incidência na
velocidade e direcção do vento. Durante os períodos de ensaio o caudal médio horário oscilou
entre os 12 e os 45 m3/h. Para estes valores,
Grelha de extração
do ar pré-aquecido
Exterior
Interior
Calha da
persiana
Exterior
Entrada de ar
Interior
Grelha de admissão
do ar exterior
Perfil
>4
>5
> Figura 4: Janela com duplo caixilho.
> Figura 5: Janela dupla e respectiva adaptação para pré-aquecimento do ar de ventilação.
46_cm
este sistema e nas dimensões apresentadas,
em média, poderá satisfazer as necessidades
de cerca de 0,75 renovações horárias de um
compartimento com uma área aproximada de
14 m2. As perdas térmicas por ventilação foram
compensadas pelos ganhos térmicos em cerca
de 12% e 28%, sem radiação solar presente.
Com radiação solar o valor máximo excedeu,
a maioria das vezes, os 100% dando assim
um contributo acrescido ao aquecimento do
espaço interior.
De apoio e como complemento à dupla janela
temos o estore (de interesse quando activo).
O estore quando fechado, em especial à noite,
divide o canal de ar em dois. Sendo o canal interno o que apresenta melhores desempenhos
térmicos, o acréscimo de temperatura obtido
oscilou entre os 3,8ºC e os 12ºC, com uma
compensação térmica entre os 32 % e os 63%.
Este conjunto de janelas, é aplicável a edifícios
novos e antigos, sendo capaz de fornecer ar
pré-aquecido durante o Inverno, recuperando
parte das perdas de calor do interior e da
radiação solar incidente. Este tipo de sistema
proporciona a redução do consumo energético
para aquecimento, uma vez que pode levar a
uma redução da perda de calor resultante da
renovação do ar interior. Salienta-se os baixos
custos de aplicação, facilidade de instalação
e insignificantes despesas de manutenção
deste sistema que oferece uma grande diversidade arquitetónica [9].
3.3.2. Funcionando com um elemento
absorsor intermédio
No sistema descrito no parágrafo anterior,
duas janelas independentes no mesmo vão,
poderá eventualmente existir um elemento
entre as duas janelas, tal como uma persiana
ou um estore, que, uma vez corrido, funcionará
como um elemento absorsor da radiação solar
que nele incida (Figura 6). É muito importante,
no entanto, frisar aqui que este efeito só será
benéfico no inverno. No verão, esse elemento,
se não for amovível, deverá funcionar como
protecção solar, estando a janela exterior
desactivada, ou seja, aberta.
Os ganhos solares de todo o sistema variam
> Figura 6: Janela dupla com um elemento absorsor.
Exterior
Interior
Entrada de ar
>6
em função da quantidade de energia solar
incidente no envidraçado interior bem como
da quantidade de energia que o elemento
intermédio consegue absorver. Caso esse
elemento seja composto por estores venezianos, a posição das lâminas determinará a
quantidade de energia solar que penetra no
interior do sistema a qual depende do ângulo
de abertura das lâminas.
O efeito de absorção poderá também ser
conseguido através de uma cortina ou tela a
qual, sendo de cor escura, permitirá uma maior
absorção de radiação no inverno, desde que
seja possível retirá-la do sistema durante o
verão. No entanto, nesta solução, a iluminação
natural poderá ficar comprometida.
A grande vantagem do estore veneziano reside
na possibilidade de se ajustar a inclinação das
lâminas, permitindo regular a entrada directa
do sol para manter os níveis de iluminação
pretendidos.
A temperatura do ar no canal de ar virado ao
exterior, formado entre o absorsor e a janela
exterior, é mais elevada devido à acção directa
da radiação solar. Com ausência de radiação
solar, é o canal de ar virado para o interior que
apresenta uma ligeira subida de temperatura
em relação à antecedente devido às perdas
térmicas do interior.
4. CONCLUSÕES
Com o aumento da resistência térmica da
envolvente dos edifícios, as perdas térmicas
por via da renovação do ar terão um peso cada
vez maior nas perdas térmicas totais, Este
facto motivou o interesse de investigadores
no pré-aquecimento do ar de ventilação por
meios passivos.
Existem vários sistemas disponíveis para o
pré-aquecimento passivo do ar de ventilação.
No entanto, o impacto negativo de alguns
destes sistemas durante o período de arrefecimento poderá ser significativo, provocando o
sobreaquecimento do edifício e tornando a sua
utilização desaconselhável em climas como o
português. Há que procurar, então, um sistema suficientemente flexível e adaptável que
possa ser útil para o pré-aquecimento do ar de
ventilação durante o inverno e que apresente
um desempenho satisfatório, durante o verão.
Para além de um bom desempenho térmico e
económico dos sistemas em análise, estes devem ser adaptáveis aos métodos construtivos
locais para a sua aceitação e implementação.
Um desafio importante será a conjugação de
esforços entre a comunidade científica e a
indústria da construção.
REFERÊNCIAS
[1] S. Robert Hastings e Ove Morck, Solar air systems – A
design handbook, International Energy Agency (IEA)
(2000).
[2] J. Claessens e A. DeHerde, Active solar heating and
photovoltaics. Energy Research Group, UCD, School of
Architecture, Landscape: http://erg.ucd..ie/ [consultado
em Julho de 2007].
[3] Geun Young Yun, Mike McEvoy e Koen Steemers, Design
and overall energy performance of a ventilated photovoltaic façade, Solar Energy 81 (2007) 383-394.
[4] Li Mei, David Infield, Ursula Eicker, e Volker Fux, Parameter
estimation for ventilated photovoltaic facades, Building
Service Engineering Research and Technology 23 (2002).
[5] P. H. Baker e M. McEvoy, Test cell analysis of the use of
a supply air window as a passive solar component, Solar
Energy 69 (2000) 113-130.
[6] M. McEvoy, R. Southall e P. Baker, Test cell evaluation
of supply air windows to characterise their optimum
performance and its verification by the use of modelling
techniques, Energy and Buildings 35 (2003) 1009-1020.
[7] Chris Hadlock, Modelling and optimization of an airflow
window with between-the-panes shading device, Master
thesis in Mechanical Engineering, of Applied Science,
University of Waterloo (2006).
[8] Jorge S. Carlos, Helena Corvacho, Pedro D. Silva, J. P.
Castro-Gomes, Transforming a double window into a
passive heating system, Conference Proceedings, Portugal SB10: Sustainable Building Affordable to All – Low
Cost Sustainable Solutions, Vilamoura – Algarve, Março
(2010) 201-208.
[9] Jorge S Carlos, Sistema passivo de pré-aquecimento do
ar de ventilação: A dupla janela ventilada, Universidade
da Beira Interior, Covilhã; Tese de Doutoramento, 2009.