comportamento tÉrmico de soluÇÕes em madeira...
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COMPORTAMENTO TÉRMICO DE SOLUÇÕES EM MADEIRA.
Adequação ao novo RCCTE
Encontro Nacional de Engenharia de Madeiras ENEM09
Nuno SimõesDEC-FCTUC
Colaboração: Joana Prata e Inês Simões
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MOTIVAÇÃO
• Análise dos parâmetros de caracterização térmica desoluções (em madeira) que tenham influência nobalanço energético da envolvente de edifícios.
2
Metodologia de cálculo definida no
RCCTE
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SUMÁRIO
• Balanço energético através da envolvente de edifícios na estação de aquecimento
• Caracterização térmica de soluções construtivas:
▫ Coeficiente de transmissão térmica, U
▫ Coeficiente de perdas lineares,
▫ Inércia Térmica (Massa Térmica)
▫ (Atraso térmico)
3
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OBJECTO DE ESTUDO
4
Materiais
areia
cimento
argila
madeira
alumínio
aço
pedra
vidro
pvc
…
Produtos
betão
tijolo
argamassa
caixilho
bloco
isolamento
…
Soluções construtivas
Parede
Pavimento
Cobertura
Janela
…
Características térmicas
Propriedades físicas
Desempenho térmico
Comportamento Térmico
&Desempenho
Energético
Arquitectura
Clima
Localização
Processo construtivo
…
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BALANÇO ENERGÉTICO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE DE EDIFÍCIOS NA ESTAÇÃO DE AQUECIMENTO
5
Nic Ni Nvc Nv Nac Na
Ntc Nt
Perdas de calor:
envolvente opaca exterior
envolvente interior
envidraçados
renovação de ar (ventilação)
Ganhos internos
Ganhos solares através dos envidraçados
• Metodologia de cálculo do RCCTE
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BALANÇO ENERGÉTICO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE DE EDIFÍCIOS NA ESTAÇÃO DE AQUECIMENTO
6
Nic Ni
• Metodologia de cálculo do RCCTE
Qt = Qext + Qlna + Qpe+ Qpt
Nic = (Qt + Qv - Qgu) / Ap
Perdas de calor associadas à ventilação
Perdas de calor pela envolvente
Ganhos úteis de calor
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BALANÇO ENERGÉTICO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE DE EDIFÍCIOS NA ESTAÇÃO DE AQUECIMENTO
7
ext 0.024(kWh)
Q U A GD
• Metodologia de cálculo do RCCTE
0.024
(kWh)pt j jQ B GD
l na 0.024(kWh)
Q U A GD
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BALANÇO ENERGÉTICO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE DE EDIFÍCIOS NA ESTAÇÃO DE AQUECIMENTO
8
• Metodologia de cálculo do RCCTE
v 0.024 0.34
(kWh)ph p dQ R A P GD
0.024
(kWh)pe j jQ B GD
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BALANÇO ENERGÉTICO ATRAVÉS DA ENVOLVENTE DE EDIFÍCIOS NA ESTAÇÃO DE AQUECIMENTO
9
• Metodologia de cálculo do RCCTE
.S sul j snjj n
Q G X A M
. . 0.720i i pQ q M A
.gu gQ QGANHOS ÚTEIS
GANHOS BRUTOS
g i SQ Q Q
Dependente da Inércia Térmica
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▫ Coeficiente de transmissão térmica, U
▫ Coeficiente de perdas lineares,
▫ Inércia térmica (Massa Térmica)
▫ (Atraso térmico)
10
CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA DE SOLUÇÕES CONSTRUTIVAS
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
11
Paredes Coberturas e Pavimentos
Vãos envidraçados e Pontes térmicas planas
W/(m2.ºC)
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
Metodologias:
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007);
2. Métodos numéricos (Diferenças Finitas, Elementos Finitos;
Elementos de fronteira;...);
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box);
4. Valores tabelados (por exemplo NP EN 1745:2005 ou ITE50).
12
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007)
13
fafb
fcfd
a
b
c
d
1 2 3
d1d2
d3
D
Tq
q
Tb
b
Ta
a
T Rf
Rf
Rf
R '
1
TRU 1
2
'''TT
TRRR
jjjj Rf
Rf
Rf
R q
q
b
b
a
a ...1
se21si''
T .... RRRRRR n
Limite inferior da RT total Limite superior da RT total
ajaj
aj
dR
Rsi e Rse representam as resistências superficiais interior e exterior, respectivamente [m2.⁰C/W].
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007)
14
ajaj
aj
dR
λ – condutibilidade térmica do elemento [W/(m. ⁰C)]
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007)
EXEMPLO 1
15
21 0.25W/(m .ºC)T
UR
Fonte: http://www.dataholz.com
T si 1 2 se
T
2T
....0.013 0.1 0.12 0.040.13 0.040.25 0.13 0.04 0.8
3.96m .ºC/W
nR R R R R R
R
R
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007)
EXEMPLO 2
16
a
b
c
1 2 3' ''
2
23.5 3.31m .ºC/W
2
T TT
T
R RR
R
2
1
0.293W/(m .ºC)T
UR
U
Fonte: http://www.egoin.biz
fafb
fcfd
a
b
c
d
1 2 3
d1d2
d3
D
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
2. Métodos numéricos (MDF, MEF; MEF;...)
EXEMPLO 2
17
21
20.295W/(m .ºC)U
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
18
“Guarded Hot Box”
“Calibrated Hot Box”
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ProveteФsur
Фedge
Fluxo de calor
Potência Perdas de calor pelas paredes da caixa Perdas de calor pela moldura Temperaturas na superfície do provete e no ar
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
20
Legenda:1 – Painel envolvente2 – Painel de calibração ou provete3 – Lado frio4 – Lado quente5 – Localização dos sensores de temperatura do ar6 – Barreiras difusoras (baffles)
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Spec
imen
Hot
cha
mbe
r
Cold
cha
mbe
r
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
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Barreira
Malha de termopares
Provete
Sensores de medição de temperatura na superfície e no ar
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
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COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
4. Valores tabelados (por exemplo NP EN 1745:2005 ou ITE50)
23
Não contempla soluções de parede ou de
pavimento em madeira.
““
Betão PedraBlocosTijolo
ITE50
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
24
Fachada+Pavimento Térreo Fachada+Pavimento sobre Local Não Aquecido
Fachada+Pavimento Intermédio
Fachada+Cobertura Fachada+Varanda 2 Paredes Verticais
Fachada+Caixa de Estore
Fachada+Padieira
W/(m.ºC)
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
Metodologias:
1. Valores tabelados no RCCTE;
2. Valores tabelados na norma ISO 14683:2007;
3. Método de cálculo normalizado na ISO10211:2007.
25
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
1. Valores tabelados no RCCTE
EXEMPLO 1 - 2 Paredes Verticais
26
Em alternativa =0.5 W/(m.ºC)
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
1. Valores tabelados no RCCTE
EXEMPLO 2 - Fachada+Pavimento Intermédio
27
Em alternativa =0.5 W/(m.ºC)
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2. Valores tabelados na norma ISO 14683:2007
EXEMPLO 1 - 2 Paredes Verticais
28
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
For lightweight walls: U = 0,375 W/(m2⋅ºC)
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2. Valores tabelados na norma ISO 14683:2007
EXEMPLO 2 - Fachada+Pavimento Intermédio
29
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
For lightweight walls: U = 0,375 W/(m2⋅ºC)
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3. Metodologia ISO 10211
30
Qtotal Qpte térmica linear Qzonas correntes (W)
Qtotal z lz T Ux,z lxlz T Uy ,z lylz T (W)Qpt l T (W) Qext U A T (W)
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
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3. Metodologia ISO 10211
31
Qtotal Qpte térmica linear Qzonas correntes (W)
L2D U jl jj (W/(m.C))
Qtotal z lz T Ux,z lxlz T Uy,z lylz T (W)
Qtotal
lzTz Ux,zlx Uy,zly (W/(m.C))
L2D (W/(m.C)) lj - Comprimento medido pelo interior (m)
U j 1
Rse Ri Rsii; ;
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
2. Metodologia ISO10211
32
Cálculo de Qtotal
2Tx 2
2Ty 2 0
- Não há geração de calor- Não há acumulação de calor- λ é constante
Assumindo que:
Método dos Elementos Finitos
Qx ATx
(W) Qy ATy
(W)
Taxa de Transferência de Calor:
; Lei de Fourier
Perfil de Temperaturas
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NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
3. Metodologia ISO10211
33
EXEMPLO :
L2D U1l1 U2l2 (W/(m.C))
L2D 0,39 1 0,39 1 (W/(m.C))
U 1
Rse R j Rsij
(W/m2.C) R j d j
j
(m2 .C/W)
LIGAÇÃO ENTRE DUAS PAREDES VERTICAIS
MEF
Perfil de Temperaturas
16,61 W/mtotalQl
Taxa Total de Transferência de Calor por cada m de PTL
L2D Qtotal
l T
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34
BETÃO MADEIRA TIJOLO FURADO
em [m] 0,22 0,1 | 0,22 0,22
L2D [W/(m.ºC)] 1,235 0,831 | 0,636 1,030
Ψ [W/(m.ºC)] 0,196 0,05 | 0,062 0,165
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
RESULTADOS – Duas Paredes Verticais com Isolamento pelo Exterior
Ψ (RCCTE) 0,10 - 0,15
3. Metodologia ISO10211
Ψ (ISO 14683) 0,15
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35
BETÃO MADEIRA TIJOLO FURADO
em [m] 0,22 0,1 | 0,22 0,22
L2D [W/(m.ºC)] 1,064 0,803 | 0,603 0,895
Ψ [W/(m.ºC)] 0,025 0,022 | 0,029 0,030
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
RESULTADOS – Duas Paredes Verticais com Isolamento pelo Interior
Ψ (RCCTE) 0,20 - 0,25
3. Metodologia ISO10211
Ψ (ISO 14683) 0,05
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36
BETÃO MADEIRA TIJOLO FURADO
em [m] 0,22 0,10 | 0,22 0,22
ep [m] 0,24 0,25 0,24
L2D [W/(m.ºC)] 1,165 0,873 |0,648 0,991
Ψ [W/(m.ºC)] 0,126 0,092 | 0,074 0,126
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
RESULTADOS – Fachada+Pavimento Intermédio c/ Isol. pelo Exterior
Ψ (RCCTE) 0,2
Metodologia ISO10211
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37
BETÃO MADEIRA TIJOLO FURADO
em [m] 0,22 0,1 | 0,22 0,22
ep [m] 0,24 0,25 0,24
L2D [W/(m.ºC)] 1,835 0,917 | 0,666 1,479
Ψ [W/(m.ºC)] 0,796 0,136 | 0,092 0,614
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
RESULTADOS – Fachada+Pavimento Intermédio c/ Isol. pelo Interior
Ψ (RCCTE) 0,7<Ψ<0,8
3. Metodologia ISO10211
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38
BETÃO MADEIRA TIJOLO FURADO
em [m] 0,22 0,1 | 0,22 0,22
ep [m] 0,32 0,33 0,32
L2D [W/(m.ºC)] 1,771 0,878 | 1,021 1,541
Ψ [W/(m.ºC)] 0,661 0,080 | 0,072 0,517
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
RESULTADOS – Fachada+Pavimento sobre LNA c/ Isol. Pelo Exterior
Ψ (RCCTE) 0,45<Ψ<0,50
3. Metodologia ISO10211
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INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
39
. .si it
p
M r SI
A
2 t
2 2 t
2 t
I 150 / Inércia Fraca
150 / I 400 / Inércia M édia
I 400 / Inércia Forte
kg m
kg m kg m
kg m
1. Determinação de massas térmicas (regras de quantificação de Mt e Msi)
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INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
40
Envolvente exterior, elemento em contacto com outra fracção autónoma ou com espaços não úteis
sem isolamento – Msi=mt/2 ou 150 kg/m2 (máximo);
com isolamento – Msi = massa do lado interior do isolamento ou 150 kg/m2 (máximo).
1. Determinação de massas térmicas (regras de quantificação de Mt e Msi)
Elemento construtivoResistência témica, R, do revestimento superficial
[m2.ºC/W]
Factor de correcção
r
Valor efectivo a adoptar para o valor da massa
superficial útil(Msi)
Envolvente exterior ou interior
R ≤ 0,140,14 <R ≤ 0,30
R > 0,30
10,50
Msi0,50.Msi
0
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INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
41
Resistência témica, R, do revestimento superficial
[m2.ºC/W]
Factor de correcção
r
Valor efectivo a adoptar para o valor da massa
superficial útil(Msi)
R ≤ 0,14R > 0,14 numa das faces do elemento
R > 0,14 em ambas as faces do elemento
10,75
0,50
Msi0,75.Msi
0,50.Msi
Elementos interiores da fracção autónoma
Msi=mt ou 300kg/m2 (máximo)
1. Determinação de massas térmicas (regras de quantificação de Mt e Msi)
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INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
42
Fonte: http://www.dataholz.com
Msi = 50 kg/m2
Rt do revestimento superficial = 0.052 m2.ºC/W
Msi.r = 50 kg/m2
100 mm, 500 kg/m3
1. Determinação de massas térmicas (regras de quantificação de Mt e Msi)
EXEMPLO 1 Envolvente exterior com isolamento – Msi = massa do lado interior do isolamento ou 150 kg/m2 (máximo)
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INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
43
1. Determinação de massas térmicas (regras de quantificação de Mt e Msi)
EXEMPLO 1 (cont.) Envolvente exterior com isolamento – Msi = massa do lado interior do isolamento ou 150 kg/m2 (máximo)
Msi.r = 50 kg/m2
100 mm, 500 kg/m3
220 mm
Msi.r = 150 kg/m2
r = 0.5Msi.r = 75 kg/m2
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44
INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
2. Análise comparativa dos índices térmicos fundamentais
EXEMPLO 1
35.04 35.04
36.22
Moradia T5, Ap=356.95m2
Nic (kWh/m2.ano)
Ni (kWh/m2.ano)
Nvc (kWh/m2.ano)
Nv (kWh/m2.ano)
Nac (kWh/m2.ano)
Na (kWh/m2.ano)
Ntc (kgep/m2.ano)
Nt (kgep/m2.ano)
Fraca 67,59 5,15 1,45Média 65,34 3,27 1,4Forte 63,97 1,46 1,37
67,85 18 19,887,8 3,46
FF=0.61
A
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45
INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
2. Análise comparativa dos índices térmicos fundamentais
EXEMPLO 2
Nic (kWh/m2.ano)
Ni (kWh/m2.ano)
Nvc (kWh/m2.ano)
Nv (kWh/m2.ano)
Nac (kWh/m2.ano)
Na (kWh/m2.ano)
Ntc (kgep/m2.ano)
Nt (kgep/m2.ano)
Fraca 66,23 8,97 1,43Média 62,95 6,4 1,39Forte 60,62 3,71 1,34
69,39 18 10,09 23,23 3,92
Moradia T4, Ap=254.51.95m2
FF=0.63
A
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46
INÉRCIA TÉRMICA (MASSA TÉRMICA)
2. Análise comparativa dos índices térmicos fundamentais
EXEMPLO 3
Alçado Principal
Apartamento T1, Ap=49.56m2
Nic (kWh/m2.ano)
Ni (kWh/m2.ano)
Nvc (kWh/m2.ano)
Nv (kWh/m2.ano)
Nac (kWh/m2.ano)
Na (kWh/m2.ano)
Ntc (kgep/m2.ano)
Nt (kgep/m2.ano)
Fraca 58,38 5,85 2,95Média 55,83 3,95 2,91Forte 54,09 2,11 2,88
62,17 18 28,69 47,72 7,16
FF=0.47
A
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ATRASO TÉRMICO
ABNT NBR 15220-2:2005:• Tempo decorrido entre a variação térmica num meio e a
sua manifestação na superfície oposta de um componenteconstrutivo sujeito a um regime periódico de transmissão decalor.
EXEMPLOSPropriedades térmicas
Material Condutibilidade Térmica (W.m-1.ºC-1)
Calor Específico (J.kg-1.ºC-1)
Massa Volúmica (kg.m-3)
Cerâmico 0.90 920 1600
Betão 1,4 1000 2300
Madeira 0.12 1340 375Lã de rocha 0.04 750 70
1 21,382. .tR B B 2 ( , , )pB f c
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Atraso Térmico (em horas)
Espessura (m) Madeira Betão Tijolo
0.22 10.62 5.8 10.4
0.11 5.12 2.9 5.2
0.11/0.220.11/0.220.11/0.22 0.11/0.220.11/0.220.11/0.22
EXEMPLO 1 - Sem isolamento
Int. Ext. Int. Ext. Int. Ext.
ATRASO TÉRMICO
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ATRASO TÉRMICO
Atraso Térmico (em horas)
Espessura (m) Madeira Betão Tijolo
0.22 11,71 1,49 7,14
0.11 6,86 1,46 6,19
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
EXEMPLO 2 - Com 60 mm de lã de rocha pelo interior
Int. Ext. Int. Ext.Int. Ext.
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NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
ATRASO TÉRMICO
Atraso Térmico (em horas)
Espessura (m) Madeira Betão Tijolo
0.22 12,75 18,90 8,48
0.11 7,78 13,14 7,45
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
0.060.11/0.22
EXEMPLO 2 - Com 60 mm de lã de rocha pelo exterior
Int. Ext. Int. Ext.Int. Ext.
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COMPORTAMENTO TÉRMICO DE SOLUÇÕES EM MADEIRA.
Adequação ao novo RCCTE
Encontro Nacional de Engenharia de Madeiras ENEM09
Nuno SimõesDEC-FCTUC
Colaboração: Joana Prata e Inês Simões
Os parâmetros de caracterização térmica de soluções (em madeira) que têminfluência no balanço energético da envolvente de edifícios (de acordo com ametodologia definida no RCCTE) são os seguintes:
- Coeficientes de transmissão térmica, U;- Coeficientes de perdas lineares, ;- Massas térmicas, para efeito de cálculo da classe de Inércia Térmica.