Análise energética e económica de soluções construtivas de edifícios no âmbito das alterações climáticas de um clima mediterrânico

Abstract

Este trabalho tem como base os efeitos que as alterações climáticas irão ter sobre os gastos a suportar e os consumos energéticos dos edifícios localizados em Portugal no ano 2070. Mais concretamente, avalia-se a viabilidade económica e energética da aplicação de isolamento térmico nos elementos opacos da envolvente dos edifícios e da utilização de sistemas fixos de sombreamento dos vãos envidraçados. Em termos de análise, deu-se relevância à identificação da melhor localização e da espessura ótima do isolamento térmico e á orientação, geometria e comprimento recomendados para as palas de sombreamento.Em termos climáticos são considerados 3 cenários: o clima atual (Histórico); o resultante de alterações climáticas de média intensidade e o resultante de alterações climáticas extremas, conforme formulados pelo Intergovernmental Panel on Climate Change das Nações Unidas.São considerados seis edifícios diferentes, um apartamento, uma moradia, uma clínica com internamento, uma escola, uma agência bancária e um supermercado.Os edifícios são considerados implantados em três locais (Funchal, Ansião e Mirandela) pertencentes a zonas climáticas distintas, os quais no seu conjunto representam as várias condições climáticas do clima mediterrânico Português.Considera-se que o controlo do funcionamento dos sistemas de AVAC pode ser efetuado alternativamente através de 7 tipos de controlo diferentes: 3 por set-point baseado no PMV (Predicted Mean Vote); 3 por set-point baseado na temperatura do ar interior; e a situação sem sistemas de AVAC.Seguindo o recomendado na bibliografia consultada, selecionou-se para material isolante térmico o EPS (poliestireno expandido). Foram testadas três localizações alternativas para o isolante térmico (pelo interior, no meio na caixa de ar e pelo exterior do elemento opaco) e foram analisadas espessuras do mesmo desde 0 (sem material isolante) até 12 cm.Consideraram-se sistemas de sombreamento fixos, do tipo pala vertical (à esquerda ou à direita) ou pala horizontal. Para um mesmo caso, todas as palas terão o mesmo comprimento, para as quais foram testados comprimentos desde 0 (ausência de palas) até 150 cm. Dependendo da sua orientação, cada vão envidraçado pode não possuir palas, ser sombreado por apenas uma pala (horizontal ou vertical) ou ser sombreado por duas palas (uma horizontal e outra vertical).Os resultados apresentados foram obtidos recorrendo ao software SEnergEd, o qual permite a simulação do comportamento energético de edifícios e o cálculo do custo anual equivalente do ciclo de vida completo dos mesmos.Para elaboração dos ficheiros com os dados climáticos, para cada um dos cenários de alterações climáticas considerado, foi aplicada uma metodologia denominada por Morphing Procedure, a qual combina valores previstos por Modelos Climáticos Globais (GCMs) com dados climáticos atuais.A análise de resultados assentou nas previsões do custo anual equivalente de cada edifício, do consumo de energia pelos sistemas de AVAC, das necessidades de energia para aquecimento e das necessidades de energia para arrefecimento.Constatou-se que, mesmo em situação de alterações climáticas, o custo anual equivalente e o consumo energético continuam muito ligados à zona climática onde os edifícios estão localizados e à sua tipologia de uso dos mesmos.Globalmente, o aumento da severidade das alterações climáticas leva a um aumento das necessidades de energia para arrefecimento e a uma diminuição das necessidades de energia para aquecimento. No entanto, as necessidades de arrefecimento aumentam mais do que as de aquecimento diminuem, o que leva a um aumento do consumo de energia pelo edifício e, consequentemente, a um aumento do custo anual equivalente da utilização do mesmo.A aplicação de isolamento térmico nos elementos opacos da envolvente dos edifícios apresenta sempre benefícios energéticos e, por norma, também é economicamente vantajosa. No entanto, a verificarem-se alterações climáticas, elas levarão a um decréscimo da sua importância, fazendo com que a sua espessura óptima diminua com o aumento da severidade das alterações ao clima.A aplicação de palas nos vãos envidraçados ganhará importância no futuro, a qual será tanto maior quanto mais severas forem as alterações climáticas. Previu-se que a aplicação destes elementos construtivos não será viável em termos económicos, mas que trará benefícios assinaláveis em termos de poupanças energéticas, nomeadamente se as alterações climáticas forem severas.

This work is based on the effects that climate change will have on the costs to be borne and the energy consumption of buildings located in Portugal in the year 2070. In particular, the economic and energy viability of the application of thermal insulation to the opaque elements of the building envelope and the use of fixed glazing gap shading systems are assessed. In terms of analysis, relevance was given to the identification of the best location and optimal thickness of the thermal insulation and to the orientation, geometry and length recommended for the shading visors.In terms of climate, three scenarios are considered: the current climate (Historical); the one resulting from medium-intensity climate change and the one resulting from extreme climate change, as formulated by the United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change.Are considered six different buildings, an apartment, a house, a clinic with internment, a school, a bank branch and a supermarket.The buildings are considered to be located in three locations (Funchal, Ansião and Mirandela) belonging to distinct climatic zones, which together represent the various climatic conditions of the Portuguese Mediterranean climate.It is considered that the control of the functioning of HVAC systems can be performed alternatively through 7 different control types: 3 per set-point based on PMV (Predicted Mean Vote); 3 per set-point based on indoor air temperature; and the situation without HVAC systems.Following the recommended in the consulted bibliography, EPS (expanded polystyrene) was selected for thermal insulating material. Three alternative locations were tested for thermal insulation (inside, middle in the air box and outside of the opaque element) and thicknesses were analyzed from 0 (without insulating material) to 12 cm.Fixed shading systems of the vertical visor type (left or right) or horizontal visor type were considered. For the same case, all the visors will have the same length, for which lengths have been tested from 0 (absence of visors) up to 150 cm. Depending on their orientation, each glazed gap may not have visors, may be shaded by only one visor (horizontal or vertical) or be shaded by two visors (one horizontal and one vertical).The results were obtained using the Senerged software, which allows the simulation of the energy behavior of buildings and the calculation of the equivalent annual cost of their complete life cycle.For the elaboration of the climate data files, for each of the considered climate change scenarios, a methodology called the Morphing Procedure was applied, which combines values predicted by Global Climate Models (Gcms) with current climate data.The results analysis was based on forecasts of the equivalent annual cost of each building, the energy consumption by HVAC systems, heating energy needs and cooling energy needs.It was found that, even in a climate change situation, the equivalent annual cost and energy consumption are still very much linked to the climate zone where the buildings are located and to their typology of use.Overall, the increase in the severity of climate change leads to an increase in cooling energy needs and a decrease in heating energy needs. However, cooling needs increase more than heating needs decrease, which leads to an increase in energy consumption by the building and, consequently, an increase in the equivalent annual cost of using the building.The application of thermal insulation to the opaque elements of the building envelope always has energy benefits and is generally also economically advantageous. However, if climate change occurs, it will lead to a decrease in its importance, causing its optimal thickness to decrease as the severity of climate change increases.The application of visors to glazed spans will gain importance in the future, which will be all the more severe the climate change. It has been foreseen that the implementation of these constructive elements will not be economically viable but will bring significant benefits in terms of energy savings, particularly if climate change is severe.