Inércia Térmica de Edifícios

O conceito de inércia térmica caracteriza a resistência oferecida pelos sistemas térmicos à tentativa de alterar o seu estado termodinâmico. Nos edifícios, dado o carácter periódico das solicitações, esta resistência traduz-se por um amortecimento das ondas de calor e por um desfasamento entre as solicitações e a resposta do edifício. A inércia térmica tem origem na capacidade, que os materiais possuem, de armazenar calor.

Quanto maior for essa capacidade mais facilmente os sistemas térmicos absorvem as solicitações sem alterarem, radicalmente, o seu estado termodinâmico. Desta forma, um edifício de grande inércia térmica tem tendência a armazenar a energia recolhida por períodos mais longos e a amenizar, assim, os efeitos das variações climatéricas. A utilização de um nível de inércia elevado nos edifícios pode assim contribuir para:

1. Armazenar os ganhos solares de inverno e restituí-los ao interior dos recintos quando estes forem necessários, aumentando assim o seu factor de utilização;
2. Prevenir contra os fenómenos de sobreaquecimento característicos das estações intermédias. Estes devem-se a um aumento acentuado da temperatura exterior durante o dia e aos fortes ganhos solares devidos, sobretudo, à incidência de radiação solar directa sobre os envidraçados;
3. Em países de clima ameno (ex.: países do Sul da Europa), a utilização de materiais de elevada inércia térmica, com ou sem isolamento exterior, oferece, também, uma protecção eficaz contra os picos diurnos de temperatura verificados no Verão.

A inércia térmica pode também desempenhar um papel desfavorável em edifícios cuja ocupação seja essencialmente diurna ou cujos ganhos solares de inverno sejam pouco significativos. Neste caso, um nível elevado de inércia pode traduzir-se numa demora acentuada no restabelecimento das condições de conforto pelos equipamentos de climatização, aumentando, assim, o consumo de energia.
A inércia térmica é, pois, uma variável de extrema importância no que diz respeito ao desempenho térmico de um edifício. Por este motivo, a capacidade de armazenamento térmico deverá ser projectada, caso a caso, em função da geometria, do clima e do regime de ocupação.

Potencialmente, todo o material de elevada capacidade calorífica pode contribuir para o aumento da inércia térmica do edifício. No entanto, para que esse potencial possa ser convenientemente aproveitado, é necessário que os ganhos de energia se distribuam o mais uniformemente possível é pelos materiais. A massa térmica situada em zonas remotas não contribui eficazmente para o armazenamento da energia e traz, certamente, custos adicionais ao projecto. Por sua vez, a concentração dos ganhos solares sobre as superfícies é também desfavorável, visto que contribui para o aumento da temperatura das mesmas, prejudicando, assim, a absorção de mais energia e podendo dar origem a sobreaquecimentos. Desta forma, todas as características que estejam directamente relacionadas com a captação e redistribuição da energia afectam também a inércia térmica do edifício. Assim, para além da capacidade calorífica dos materiais, a condutibilidade térmica, a espessura das paredes e dos pavimentos, a distribuição das áreas de captação e armazenamento dos ganhos solares e a cor das superfícies, desempenham, também, um papel fundamental na forma como o edifício capta, distribui e armazena a energia.

É sobejamente conhecido que a distribuição da radiação solar directa pelas superfícies dos recintos influencia fortemente o comportamento térmico global dos mesmos. Apesar disso, este fenómeno é também aquele que mais tem sido desprezado e até tratado, de forma negligente, pelos programas de simulação térmica de edifícios. As razões para este facto, devem-se à falta de algoritmos que efectuem o cálculo da distribuição detalhada da “mancha solar” (locais onde incide a radiação solar directa) e à necessidade de algoritmos que simulem de forma eficiente a condução de calor pluridimensional, em regime instacionário, que ocorre nas paredes e pavimentos cujas superfícies recebem esta radiação.

A resposta típica de edifícios, em regime de temperatura flutuante, mostra claramente uma componente harmónica Sinusoidal de período igual a 24 horas. Esta componente está obviamente relacionada com o ciclo diário da temperatura exterior e da radiação Solar. Em termos de armazenamento térmico, esta componente diária das solicitações exteriores é responsável pela maior parte da energia acumulada durante o período diurno e posteriormente devolvida ao espaço interior durante a noite. Assim, ao falar de armazenamento térmico é vulgar distinguir entre:
a) Armazenamento térmico de curta duração (energia acumulada e libertada num ciclo de duração inferior a 24 horas);
b) Armazenamento térmico diário (ciclo de 24 horas);
c) Armazenamento térmico de longa duração (ciclo de duração superior a 1 dia).

Dos três tipos de armazenamento, aquele que mais interessa privilegiar é sem dúvida o armazenamento térmico diário.

A simulação numérica da condução de calor em elementos de edifícios, requer a resolução das equações de balanço energético num conjunto significativo de pontos (nodos) distribuídos pelos materiais que constituem as paredes. A massa de cada parede deverá assim ser dividida em pequenos volumes de controle, cada um identificado com um dos nodos. O rigor com que estas equações caracterizam o fenómeno da condução de calor depende, entre outros factores, do número de nodos e da sua distribuição.
Para além disto, a transferência de calor na fronteira do elemento obriga a resolver em simultâneo as equações de acoplamento entre os nodos de fronteira dos diversos elementos e os nodos de temperatura interior. Este procedimento não levanta problemas de maior quando se assume que a condução de calor nas paredes se dá predominantemente numa só direcção (hipótese de condução de calor monodimensional). Porém, no caso bi ou tridimensional, o número de nodos de cada elemento aumenta drasticamente, o que obriga a procedimentos mais engenhosos para contornar as dificuldades que advém deste facto.

Autor: Manuel António da Silva Lima
Excerto Adaptado
Imagens: NRST

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