Simulação Térmica de Edifícios

Os projectistas, para fazerem uma correcta análise e o projecto de edifícios, e de modo a tirar o máximo partido da energia solar, necessitam de saber quais as condições térmicas preferidas pelo Homem e ao mesmo tempo compreender a influência que as diversas tipologias dos edifícios têm na obtenção dessas condições. É por isso, importante que disponham de métodos de previsão do comportamento térmico desses edifícios, de avaliação do conforto térmico dos mesmos e certificação energética.

A noção de conforto anda aliada à ausência de flutuações das temperaturas interiores. Estas dependem, em termos médios, de um balanço de energia e, em termos de variação em torno da média, da inércia térmica do edifício, ou seja, da quantidade de massa presente, do modo como ela está distribuída, das propriedades térmicas dos diversos materiais envolvidos, e, por isso, da capacidade de armazenamento de cada elemento construtivo. Amplitudes térmicas grandes ocorrem quando não existe massa armazenadora suficiente. A utilização de elementos maciços numa construção solar passiva, é, por isso, um elemento chave para um correcto dimensionamento desses edifícios, tomando-se necessário saber como definir e calcular com precisão este conceito.

À inércia térmica ou à capacidade de armazenamento não corresponde uma grandeza univocamente definida que descreva completamente os fenómenos envolvidos. A capacidade de armazenamento depende das características termofísicas e geométricas dos elementos que intervêm no processo e da distribuição temporal das solicitações térmicas que lhe são impostas, daí a dificuldade intrínseca da sua definição. Por consequência, a capacidade de armazenamento vem definida com formulações diferentes conforme os diversos casos que se pretendam estudar. E, apesar da capacidade térmica ser um parâmetro do qual depende o sucesso ou insucesso de um projecto, a sua determinação tem sido normalmente feita de uma forma pouco correcta. Muitos dos modelos existentes para o cálculo deste parâmetro usam apenas o produto da massa pelo calor específico, ou seja, a sua capacidade calorífica total, para quantificar o calor armazenado pelos diversos elementos armazenadores presentes.

Mas, na realidade, a energia armazenada é menor do que a calculada por este processo, pois a massa situada mais perto da superfície em contacto com o ar interior tem uma maior participação no processo de transferência de calor, sofrendo maiores flutuações de temperatura e sendo, assim, um armazenador mais eficiente.
A optimização da massa de armazenamento depende de vários factores, sendo de realçar as condições climáticas, a ocupação, a orientação do edifício, as propriedades dos elementos constituintes do edifício e as fontes de calor. A localização da massa é também importante, principalmente saber se está sob a acção directa da radiação solar ou não. A cor das superfícies é outro elemento a ter em conta: se as superfícies forem claras, a reflexão para as zonas interiores é favorecida, permitindo uma distribuição mais uniforme do calor e da luz.
De tudo isto ressalta que a capacidade real de armazenamento de um elemento construtivo depende assim de um grande conjunto de factores, estando longe do valor da sua capacidade calorífica total. Surge deste modo a noção de capacidade térmica efectiva como aquela que efectivamente participa na definição da temperatura do ambiente interior.
Como a capacidade de armazenamento depende de todos os factores referidos, é, por isso, difícil de quantificar com precisão, e a sua determinação tem sido normalmente feita de uma forma indirecta. Em geral, tem-se estudado o comportamento térmico dos edifícios na sua globalidade sem se apurar a contribuição de cada um dos seus elementos constituintes. O conceito de capacidade térmica efectiva, para ser usado com precisão, necessita de programas de cálculo mais ou menos precisos, mais ou menos complexos, tendo sido muitos os propostos, quer nos EUA., quer na Europa, principalmente após a crise energética dos anos 70.
Estes métodos, designados por métodos detalhados, efectuam a simulação dinâmica de um edifício permitindo obter parâmetros como temperaturas do ar ambiente, fluxos de calor, consumos energéticos ou fracções solares. Estes métodos são muito versáteis e bastante precisos, sendo os mais fiáveis e os mais utilizados em projectos de investigação. São de destacar o TAW, o DOEZ e o SUNCQDE, todos desenvolvidos no Estados Unidos, e o ESP desenvolvido no Reino Unido, sendo, a nível europeu, um dos programas mais divulgados pois foi o escolhido pela CEE como o programa de simulação de referência da Europa.
Estes métodos têm, no entanto, diversos inconvenientes dado que necessitam de computadores com elevada capacidade de cálculo, de uma grande quantidade de informação relativa ao edifício e de uma certa especialização do operador, nem sempre existente. Devido a estes inconvenientes, foram desenvolvidos métodos simplificados baseados, na maior parte dos casos, em correlações obtidas com os modelos detalhados ou baseados em hipóteses simplificativas dos vários processos de transferência de calor. No entanto, estes métodos simplificados estão sempre limitados a climas, tipos construtivos e estratégias de operação particulares, pois é muito difícil incorporar nestes métodos todos os fenómenos de transferência de calor envolvidos no processo.
A grande maioria destes modelos, devido as simplificações efectuadas, fazem a análise do edifício numa base mensal ou mesmo anual. Sendo a temperatura interior o parâmetro que talvez tenha maior impacto junto do cidadão comum ou do projectista, poucos são os modelos que dão a sua evolução horária ao longo do tempo. Muitos deles fazem a simulação do edifício em regime termostatizado não se fazendo, por isso, a avaliação do comportamento térmico do edifício sem a existência de sistemas auxiliares de aquecimento ou de refrigeração, o que não é uma situação corrente nos edifícios residenciais portugueses, nem nos da maioria dos países mediterrânicos, devido a falta de tradição de aquecimento ambiente. No que se refere à quantificação do efeito da massa de armazenamento térmico no comportamento de um edifício, as referidas simplificações efectuadas pelos diversos métodos acarretam sempre alguma perda. Muitas das perdas prendem-se com a definição da envolvente que, a maior parte das vezes, é considerada homogénea e, por vezes, só se aplicam a casos muito particulares de envolvente exterior. Alguns métodos apenas consideram algumas capacidades térmicas ou algumas classes de inércia. Outros só contabilizam o armazenamento das paredes exteriores esquecendo a contribuição, decisiva, das paredes interiores ou das lajes de separação de pisos. Mas as principais omissões de todos estes métodos dizem respeito à quantificação da influência de dois factores: o efeito da radiação solar incidente nos diversos elementos constituintes do edifício na sua capacidade de armazenamento e o efeito da amplitude térmica verificada no interior do edifício na capacidade de armazenamento de cada um dos elementos em contacto com esse espaço, dois efeitos que são interdependentes.
Alguns métodos entram, de forma indirecta, com o efeito da radiação, uma vez quer fazem a distinção entre espaços de ganho directo (ligação radiativa) e espaços de ganho indirecto (ligação convectiva). Mas, em qualquer dos casos, o efeito da radiação é tido em conta de uma forma simplificada, sem se quantificar exactamente o efeito da energia solar incidente na capacidade de armazenamento de cada elemento armazenador.

Autores: M.Guedes de Almeida, E.Maldonado
Excerto Adaptado

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