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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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
…
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
▫ Coeficiente de transmissão térmica, U
▫ Coeficiente de perdas lineares,
▫ Inércia térmica (Massa Térmica)
▫ (Atraso térmico)
10
CARACTERIZAÇÃO TÉRMICA DE SOLUÇÕES CONSTRUTIVAS
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
11
Paredes Coberturas e Pavimentos
Vãos envidraçados e Pontes térmicas planas
W/(m2.ºC)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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].
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
1. Método simplificado (EN ISO 6946:2007)
14
ajaj
aj
dR
λ – condutibilidade térmica do elemento [W/(m. ⁰C)]
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
2. Métodos numéricos (MDF, MEF; MEF;...)
EXEMPLO 2
17
21
20.295W/(m .ºC)U
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃO TÉRMICA, U
3. Método de ensaio descrito na EN ISO8990:1996 (Hot-Box)
18
“Guarded Hot Box”
“Calibrated Hot Box”
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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.
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NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
1. Valores tabelados no RCCTE
EXEMPLO 1 - 2 Paredes Verticais
26
Em alternativa =0.5 W/(m.ºC)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
1. Valores tabelados no RCCTE
EXEMPLO 2 - Fachada+Pavimento Intermédio
27
Em alternativa =0.5 W/(m.ºC)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
2. Valores tabelados na norma ISO 14683:2007
EXEMPLO 1 - 2 Paredes Verticais
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COEFICIENTE DE PERDAS LINEARES,
For lightweight walls: U = 0,375 W/(m2⋅ºC)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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,
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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,
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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)
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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
NUNO SIMÕES(DEC-FCTUC; ITeCons)
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.
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.
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.
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