Artigo Técnico - ToRRE H

FACHADA DUPLA PELE PARA CLIMA DO SUL DA EUROPA

Tiago Jos Silva a, Bruno Alexandre Pereira b e Fernando Marques da Silva c a,b FACAL Engenharia de Fachadas, Lda.

c LNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil

Resumo. O Edifcio H do empreendimento Office Park Expo localizado no Parque das Na-es, totalmente envidraado tendo a sua envolvente sido desenvolvida com o objectivo de promover a diminuio do consumo de energia para arrefecimento do espao interior sem di-minuir os padres de conforto dos seus utilizadores. Trata-se de uma fachada dupla pele que, pelo seu desempenho, se assume como potencial soluo para futuros edifcios com envolven-tes revestidas a vidro. Nesta comunicao descrito o trabalho desenvolvido na concepo desta fachada e apresenta-se o projecto de investigao conjunto FACAL/LNEC/IST que en-volve a monitorizao de uma das fachadas e espao interior adjacente, do edifcio em causa, no que se refere a temperatura, iluminao, energia e conforto. 1 Introduo

Os problemas associados ao ambiente e ao consumo de energia tm vindo a ser discutidos de forma global, o que tem conduzido adopo prioritria de medidas de desenvolvimento sustentado. De entre este conjunto de medidas enquadra-se o consumo de energia em edifcios, com importncia nas emisses de gases com efeito de estufa. A reduo destes consumos no deve ser acom-panhada de uma diminuio nos padres de conforto, devendo antes obter-se um novo paradigma de poupana atravs da eficincia energtica e da utilizao racional de energia com base em edifcios bem projectados. Neste contexto arquitectos e engenheiros so confrontados com a necessidade de propor solues energeticamente efici-entes, ambientalmente equilibradas e adequadas ima-gem arquitectnica pretendida.

Uma soluo de envolvente assente em princpios de desenvolvimento sustentvel e que pela sua leveza, efei-tos estticos e condies de iluminao natural que pro-porciona, tem ganho uma relevncia crescente a desig- Fig. 1: Edifcio H Office Park Expo

2 nada fachada dupla pele (FDP).

Este conjunto de funcionalidades parece responder aos crescentes imperativos de reduo dos consumos de energia nos edifcios de habitao e servios. No entanto este tipo de facha-das no est suficientemente estudado no que respeita s suas reais caractersticas de funcio-namento tendo em conta o seu desempenho energtico final, em particular no clima do sul da Europa. Embora o nmero de edifcios com FDP tenha aumentado nos ltimos anos em Por-tugal, a tecnologia envolvida no projecto destas solues arquitectnicas provm de zonas climticas diferentes e as opes tomadas conduzem, por vezes, a problemas na sua utilizao diria devido a sobreaquecimento (necessidade de arrefecimento nas vrias estaes do ano) ou de iluminao (necessidade de iluminao artificial por imperativo de fecho dos sistemas de sombreamento).

No caso da fachada de dupla pele do Edifcio H do empreendimento Office Park Expo, a reduo dos consumos energticos alcanada tirando partido da ventilao natural no inte-rior da fachada e da correcta avaliao dos restantes parmetros com implicao no seu bom desempenho.

O desenvolvimento e implementao deste sistema de fachada foi da responsabilidade da FACAL, uma empresa que responde necessidade de inovao e investigao, exigncia dos nossos tempos, e que em associao com a Faculdade de Engenharia do Porto, na fase de pro-jecto, e com o Laboratrio Nacional de Engenharia Civil e o Instituto Superior Tcnico, na fase ps-construo, tem desenvolvido estudos tcnicos com o intuito de aprofundar o conhe-cimento sobre o funcionamento de fachadas dupla pele no clima do sul da Europa. 2 Fachada Dupla

O desafio criado em torno da Torre H do empreendimento Office Park Expo foi o de opti-mizar o desempenho energtico da fachada dupla pele. No clima do sul da Europa, uma fa-chada dupla bem concebida leva reduo do consumo de energia no arrefecimento de espaos interiores. A pele ex-terior da fachada dupla funciona ainda como uma primeira barreira entrada de gua em pocas de chuva, e como proteco aos dispositivos de sombreamento sob a aco do vento.

De facto, sob exposio solar, as condies do ambiente interior so fortemente agravadas devido s diferenas de temperatura entre o exterior e o interior e transferncia de calor por radiao solar. Uma fachada dupla pele mal con-cebida poder levar a um aumento substancial da tempera-tura no canal de ar da fachada dupla (espao entre a pele exterior e a interior), aumentando a transferncia de calor para o interior do edifcio.

No caso concreto da fachada dupla pele da Torre H, e com o intuito de desenvolver um sistema eficaz, compat-vel com o clima exterior e com os valores da radiao solar que se registam em Lisboa nas vrias estaes do ano, foi efectuada uma escolha dos materiais em funo do desem-penho pretendido e um estudo do comportamento do fluxo de ar no canal da fachada dupla. Fig. 2: Projecto do Edifcio H

VII Congresso de Construo Metlica e Mista 3

Fig. 3: Interior da Fachada Dupla

2.1 Escolha do vidro

O vidro da pele exterior foi estudado com o intuito de reduzir o efeito solar principalmente atravs de reflexo para o exterior, devendo cumulativamente resistir s aces dinmicas do vento determinadas com base na regulamentao nacional aplicvel.

Foi, ento, adoptado um vidro laminado com uma espessura total de 20 mm composto, na sua face exterior, por um vidro temperado de controlo solar e na face interior um vidro sim-ples termoendurecido, ambos com 10mm de espessura.

Este conjunto apresenta um factor solar (tabela 1) indiciador de um bom desempenho, fil-trando quase metade da radiao solar total incidente. A transmisso luminosa tambm apre-senta um bom desempenho.

A radiao solar que ultrapassa esta barreira ser absorvida em grande parte pelos disposi-tivos de sombreamento accionados no interior da fachada dupla.

Controlada a radiao solar, interessava atingir um valor suficientemente baixo para o coe-ficiente de transmisso trmica de forma a obter um conjunto que garantisse um bom desem-penho trmico.

A pele interior da fachada composta por dois elementos: o primeiro opaco, com cerca de 1,20m de altura, que se inicia cota do pavimento de cada piso e sobre o qual foi realizado um melhoramento soluo de projecto com o intuito de aumentar a resistncia trmica neste elemento da fachada (figura 4a e 4b), tendo sido obtido um valor aproximado de 0,73 W/m2 C; o segundo prolonga o anterior at ao tecto do piso e formado por uma superfcie envi-draada de vidro duplo com pelcula de baixa emissividade na face interior do vidro exterior para reduzir as transferncias de calor do canal da fachada dupla para o interior do edifcio, tendo sido alcanado o valor de 1,33 W/m2 C para o coeficiente de transmisso trmica.

Os melhoramentos introduzidos no elemento opaco (figura 4b) basearam-se nos seguintes pontos:

Reduo significativa de pontes trmicas no envidraado interior; Ventilao da cmara do envidraado interior da zona cega; Isolamento no capeamento do murete.

Apesar de existirem valores tabelados (fornecidos pelo fabricante Guardian) para as ca-

ractersticas fsicas, pticas e trmicas dos envidraados procedeu-se sua confirmao expe-rimental por uma instituio independente, neste caso o laboratrio holands TNO Science and Industry. Resumem-se nas tabelas 1 e 2 os valores fornecidos pelas duas entidades.

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a) Soluo de projecto b) Soluo melhorada c) Esquema final

Fig. 4: Evoluo da soluo construtiva do elemento opaco

Tabela 1: Caractersticas do vidro exterior

Especificaes da Guardian Resultados do ensaio TNO

Factor Solar 0.49 0.53 Transmisso luminosa 0.60 0.64

Reflexo para o exterior 0.10 0.09 Coef. Transmisso Trmica (W/m2K) 5.10 5.11

Tabela 2: Caractersticas do vidro duplo interior

Especificaes da Guardian Resultados do ensaio TNO

Factor Solar 0.39 0.37 Transmisso luminosa 0.69 0.66

Reflexo para o exterior 0.10 0.10 Coef. Transmisso Trmica (W/m2K) 1.30 1.33

A tabela 3 apresenta as caractersticas da tela de sombreamento aplicada no interior da c-

mara-de-ar (dados fornecidos pela empresa Cruzfer).

Tabela 3: Caractersticas da tela de sombreamento Transmisso

Solar Reflexo So-

lar Absoro So-

lar Factor So-

lar 12% 36% 52% 20%

Na tabela 4 resumem-se as caractersticas pticas do conjunto (vidro exterior + cmara de

ar + vidro interior) sem a tela de sombreamento accionada. Os valores foram determinados com base na norma DIN 67507 (dados do fabricante).

Tabela 4: Caractersticas pticas do conjunto sem sombreamento

Transmisso Luminosa

Reflexo Lu-minosa Factor Solar

42% 15% 19%


Na tabela 5 apresentam-se as caractersticas pticas do conjunto (vidro exterior + cmara de ar + vidro interior) com a tela de sombreamento accionada. Os valores foram tambm de-terminados com base na norma DIN 67507 (dados do fabricante).

Tabela 5: Caractersticas pticas do conjunto com sombreamento

Transmisso Luminosa

Reflexo Lu-minosa Factor Solar

- 16% 5% 2.2 Canal ventilado da fachada dupla

Determinadas as caractersticas dos elementos envidraados, que garantem j um compor-tamento trmico excepcional, foi estudada a ventilao do canal da fachada dupla com o ob-jectivo de evitar o sobreaquecimento deste espao. Trata-se do efeito mais nefasto neste tipo de sistemas e que, caso se verifique, se traduz na ineficcia da soluo de fachada dupla como soluo energeticamente eficiente, aumentando a transferncia de calor para o interior do edi-fcio, conduzindo ao incremento do consumo de energia para arrefecimento.

Assim, ainda na fase de projecto foi efectuado um estudo para avaliar o comportamento do fluxo de ar por conveco natural no interior da fachada e o impacto trmico que teria no edi-fcio. Para tal foi encomendado um estudo empresa FirstQ, que realizou uma anlise trmica baseada em mtodos computacionais avanados de forma a obter os perfis trmicos e de velo-cidade representativo do comportamento da fachada.

Foram testados vrios modelos, consistindo o primeiro numa configurao multi-piso (sem parties horizontais ou verticais). No entanto as elevadas velocidades e temperaturas geradas no interior da fachada dupla inviabilizaram-na. Este modelo implicaria um consumo elevado de energia para arrefecimento do interior do edifcio. Como resultado de um processo iterati-vo, com a premissa de tirar o mximo partido da ventilao natural, a soluo encontrada con-sistiu em dividir horizontalmente a fachada, de 2 em 2 pisos, com entradas e sadas de ar na zona da diviso.

Para evitar fenmenos de re-ingesto de ar quente nas divisrias (figura 5a), as entradas e sadas de ar foram colocadas alternadamente (figura 5b) com recurso a deflectores de fluxo que, para alm de impedirem a admisso, na diviso superior, de ar j aquecido, apresentam uma configurao que afasta esse ar quente da fachada, eliminando a carga trmica que ocor-reria junto sua face externa.

a) Simulao com re-ingesto de ar quente

b) Simulao do desfasamento das grelhas de entrada e sada de ar

Fig. 5: Configuraes das entradas e sadas de ar para ventilao do canal da fachada dupla 2.3 Campanha de medio de temperaturas

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Como complemento aos estudos acima descritos e com base nos resultados numricos ob-

tidos, foi construdo um prottipo com o intuito avaliar o comportamento trmico da fachada numa situao real, quer em termos de temperaturas quer em termos de consumo de energia do sistema de ar condicionado.

A campanha de medio de temperaturas, realizada pelo Laboratrio de Fsica das Cons-trues / Instituto da Construo LFC/IC da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, prolongou-se desde o dia 11/08/2005 at ao dia 11/10/2005 de forma a serem regista-dos valores durante a estao quente e numa estao intermdia.

Tabela 6: Campanha de medies

FASES DE MEDIO

CONDIES DOS ENSAIOS

LOCALIZAO DOS PONTOS DE ME-DIDA RESULTADOS

1 Fase de medio

De 11.08.2005

a 31.08.2005

- Estores levantados; - Sem ar-condicionado at 23.08 s 17 horas; - Ar-condicionado ligado a partir dessa data.

No 2 piso do prottipo: 1 Ambiente interior; 2 Superfcie exterior do envidraado interior; 3 Superfcie interior do envidraado interior; 4 Ambiente do espao entre envidraados; 5 Superfcie interior do envidraado exterior; 6 Ambiente exterior.

T interior: 31,9C T exterior: 24,6C T alvo A/C n.a. Consumo energtico - n.a.

2 Fase de medio

De 31.08.2005

a 21.09.2005

- Estores levantados; - Ar-condicionado a 21 C; - Comeo da medi-o do consumo de energia;

A mesma

T interior 20,6C T exterior 21,6C T alvo A/C 21,0 C Consumo energ. 6,3 kWh/C

3 Fase de medio

De 21.09.2005

a 11.10.2005

- Estores descidos; - Sem ar-condicionado at 30 de Setembro; - Ar-condicionado ligado a partir dessa data.

No 2 piso do prottipo: 1 Ambiente interior; 2 Superfcie exterior do envidraado interior; 3 Superfcie interior do envidraado interior; 4 Ambiente do espao entre o estore e o envi-draado interior; 5 Superfcie interior do envidraado exterior; 6 Ambiente exterior; 7 Face interior do estore; 8 Face exterior do estore; 9 Ambiente junto sada de ar; 11 Ambiente do espao entre o estore e o envidraado exterior. No 1 piso do prottipo: 10 Ambiente junto entrada de ar.

T interior 19,9C T exterior 21,4C T alvo A/C 21,0 C Consumo energ. 3,4 kWh/C

A avaliao do consumo de energia, atravs do registo de funcionamento do sistema de ar-

condicionado, vem expresso em unidades de energia diria consumida, por grau de diferena de temperaturas entre o interior e o exterior. Dado que nas trs fases se verificava a existncia de forte radiao solar, a reduo do consumo energtico torna evidente a importncia do sombreamento no comportamento trmico do sistema.

Apesar das medies registadas na fase 1 apontarem para temperaturas altas no interior do prottipo, tal no ser transposto para o edifcio real uma vez que este apresenta uma baixa inrcia trmica, caracterstica potenciadora do sobreaquecimento interior. Este facto foi con-firmado pela monitorizao do edifcio realizado no mbito do projecto conjunto FACAL/LNEC/IST como adiante se demonstrar.


Fig. 6: Prottipo em tamanho real (vista exterior e interior do canal de ar)

3 Soluo Construtiva O sistema de fachada dupla pele concebido para o Edifcio H do empreendimento Office

Park Expo seguiu todas as indicaes alcanadas ao longo dos vrios estudos realizados, e baseia-se na conjugao de vidro e metal nos diversos elementos que a compem.

De acordo com os critrios de classificao, estabelecidos no Annex 44 da Agncia Inter-nacional de Energia para este tipo de fachadas, a que aqui se apresenta do tipo Corredor (C) sem parties verticais -, de fluxo exterior (FE) o ar de ventilao admitido e exaurido para o exterior -, e naturalmente ventilada (VN).

Fig. 7: Fases da montagem da fachada dupla

4 Monitorizao da Fachada Dupla

Com o intuito de aprofundar o conhecimento sobre o funcionamento de fachadas dupla pe-le (FDP) no clima do sul da Europa, e em particular deste modelo, a FACAL juntamente com o LNEC e o IST propem-se a desenvolver um projecto de investigao que envolve, numa primeira fase, a monitorizao de um sector da fachada dupla nos 15 e 16 pisos do Edifcio H j em utilizao. Estas monitorizaes decorrero nas estaes de arrefecimento, interm-dias e de aquecimento e constam de medies de temperatura, iluminao e conforto. 4.1 Localizao e Tipo de Equipamentos

Os equipamentos destinados monitorizao detalhada da fachada do edifcio em causa foram colocados nas fachadas com orientao Noroeste e Sudoeste (figura 8), sendo tambm registadas as temperaturas do ar no canal a meio da fachada NW e na fachada NE.

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Fig. 8: Local de instalao dos equipamentos (a sombreado) e posio dos sensores: termopares ar ;

sombreamento ; vidro ; anemmetro; piranmetro; e termmetros autnomos Pretende-se, com este esquema, avaliar a distribuio de temperatura no canal (estratifica-

o) em toda a altura de um mdulo e ao longo da fachada, as temperaturas nos vidros e som-breamentos, as intensidades de radiao incidente na fachada e no interior e o caudal de ar que passa nas grelhas de exausto.

Vai tambm proceder-se medio das intensidades de iluminao em vrios pontos do espao interior a diferentes horas do dia e com diferentes posicionamentos dos sombreamen-tos, bem como da avaliao dos critrios de conforto. 4.2 Resultados

Os resultados que a seguir se apresentam referem-se primeira das campanhas de medida programadas que se iniciou em meados de Agosto de 2009, de acordo com o esquema acima descrito. So apresentados resultados de dias tpicos.

Para uma correcta interpretao dos resultados deve ter-se em conta os critrios de opera-o do sistema de controlo e climatizao existentes: Os sombreamentos so operados por fachada, atravs de sensores colocados na cobertu-

ra e orientados segundo cada uma das quatro fachadas. Assim os sombreamentos da fa-chada de SW so descidos um pouco antes das 12:00 e os da fachada de NW s 15:00. Este esquema est activo em permanncia.

O sistema de climatizao est regulado para manter uma temperatura interior de 25C, estando operacional de 2 a 6 feira, das 8:00 s 18:00.

Comecemos por analisar o comportamento trmico nos dois pisos do canal. Das distribuies de temperatura ilustradas da figura 9 pode concluir-se que a estratifica-

o incipiente pelo que razovel a adopo de uma temperatura mdia. Os picos registados cerca das 13:00, nas duas fachadas, podero justificar-se pela ausncia de ventilao (insufi-ciente diferena de temperatura para o exterior possivelmente associada a vento incidente que, por via de coeficientes de presso positivos, bloqueiam a exausto). A rpida reduo das temperaturas prende-se com o incio do processo de ventilao. Por outro lado a verificao de que a temperatura no varia significativamente em altura significa que a ventilao eficaz promovendo a remoo do ar aquecido de dentro do canal.


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Temperatura do ar no canalfachada SW

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Temperatura do ar no canalfachada NW

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Fig. 9: Temperatura do ar nos dois pisos do canal nas fachadas de SW e NW

A radiao incidente, quer exterior, quer a que chega ao interior, so parmetros funda-

mentais na apreciao do desempenho da fachada. A Figura 10 a) apresenta essas intensida-des de radiao horizontal global; vertical exterior e interior em cada fachada. Registe-se o natural mximo correspondente radiao incidente na fachada SW com cerca de 900 W/m2 pelas 17:00H e que a mesma fachada recebe apenas radiao difusa (cerca de 100 W/m2) at s 13:00H. J a radiao que entra no espao interior (cerca de 50 W/m2) reduz-se a cerca de 10W/m2 quando o sombreamento accionado. Volta, no entanto, aos valores iniciais du-rante a tarde como resultado do aumento da radiao incidente (note-se que o conjunto envi-draados e sombreamento reduzem a intensidade de radiao que chega ao interior de 900 pa-ra 50 W/m2).

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Temperaturas do are sombreamento

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a) b) Fig. 10: a)Radiao incidente no exterior e interior, e b) temperaturas no canal, no exterior e no in-

terior Na fachada de NW a intensidade de radiao exterior naturalmente inferior (mximos de

cerca de 300 W/m2) pelas 18:00, quando o Sol, no seu percurso aparente e descendente, inci-de perpendicularmente fachada. No interior evidente o accionamento do sombreamento mas regista-se um pico de cerca de 200 W/m2 devido ausncia de sombreamento no canto da fachada.

A figura 10 b) representa a evoluo de vrias temperaturas ao longo dos dois dias consi-derados, nomeadamente as do ar no canal (mdias das fachadas SW e NW, a meio da fachada

10 NW e na fachada NE), do ar no exterior e no interior do piso 16, e ainda, a temperatura do sombreamento SW.

Comecemos pelo canal: 1. A temperatura mais elevada , como seria de esperar, a do sombreamento cerca de 15C

acima da temperatura exterior pelas 18:00 H, fruto da radiao directamente incidente naquela fachada durante a tarde, quando o sombreamento descido.

2. As temperaturas do ar a NE so mais elevadas nos perodos em que recebem radiao directa, atingindo valores bastante mais elevados que os do exterior (em particular du-rante a manh).

3. Os mximos registados coincidem com os picos de radiao incidente, o que espect-vel (com a excepo do perodo em torno das 13:00 H do dia 6, j referido). As diferen-as mximas para o exterior so de cerca de 6C (SW) e de 3C (NW), respectivamente. Fora dos perodos com radiao incidente a temperatura do canal muito prxima da do exterior.

4. Quanto temperatura interior h a registar a sua pouca variabilidade, mesmo num per-odo em que a climatizao est desligada, com valores mximos de 26C no Sbado e de 27C no Domingo, isto apenas 1C e 2C acima do valor-alvo.

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UcanalTc-ToU ventoDIR

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SW

Fig. 11: Diferena de Temperaturas, T, entre o canal e o exterior, velocidades do ar na exausto.

A Figura 11 representa a relao entre a ventilao da fachada e a diferena de temperatura

entre o canal e o exterior, T, expressa em velocidade do ar numa grelha de exausto no topo do canal (em termos de caudal, e para as dimenses em causa, uma velocidade de 1 m/s equi-vale a um caudal de ~1000 m3/h). Os picos de ventilao ocorrem, naturalmente, na sequncia dos valores mais elevados da diferena de temperaturas, uma vez que o diferencial de pres-ses que gera o movimento do ar , essencialmente, de origem trmica.

Os valores elevados registados s primeiras horas do dia 5, e nas ltimas de dia 6, s po-dem ter origem no vento. Recordemos que o anemmetro (colocado, no interior do canal, jun-to grelha superior) no tem capacidade de identificar o sentido do fluxo pelo que, neste pe-rodo, poder ser descendente uma vez que o rumo do vento praticamente constante de Nor-te. A reduo do valor de T que se segue aquele primeiro perodo parece confirmar esta hi-ptese. 5 Concluses


Fruto de um desenvolvimento faseado e cuidado, a fachada de dupla pele, que constitui a fronteira exterior da Torre H do empreendimento Office Park Expo, pode ser apontada como uma estrutura que cumpre as funes para que foi concebida: aliar o conceito arquitectnico de transparncia e high-tech a um controlo adequado das trocas de energia com o exterior.

Esta ltima caracterstica permite esperar baixos consumos de energia tendo em ateno que dependem, em ltima anlise, do sistema de gesto energtica instalado no edifcio. Efec-tivamente, quer os estudos efectuados na fase de desenvolvimento (numricos e fsicos), quer as medidas efectuadas na primeira fase da monitorizao da fachada, j em utilizao, apon-tam para esse eficaz controlo das trocas de energia com o exterior, e para a confirmao do bom desempenho da fachada. Referncias

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