Eficiência Energética e Retrofit de Edificações Comerciais

Eficiência Energética e Retrofit de Edificações Comerciais

Aluna: Ariadne Marques de Mendonça

Universidade Federal de Santa CatarinaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilECV4222 – Eficiência Energética em EdificaçõesProf. : Roberto Lamberts, PhD

16.08.2011

Conteúdo da Apresentação• Apresentação do problema e justificativa• Retrofit em edifícios comerciais• Legislação européia relacionada a eficiência

energética• O Retrofit visando eficiência energética

1. Introdução

• Metodologias para análise de retrofit• TOBUS• Projeto OFFICE • Avaliação de estratégias de retrofit com base em

múltiplas variáveis• Metodologia para triagem e avaliação do impacto de

medidas de retrofit• Avaliação de medidas de retrofit utilizando análise de

ciclo de vida

2. Metodologias

• Discussão e conclusão3. Conclusão

• Referências bibliográficas4. Referências

1. IntroduçãoComo analisar a viabilidade e definir estratégias adequadas de redução de

consumo de energia para um conjunto de edificações existentes?

Levantamento de sua situação atual, e classificá-las de acordo com suas

características construtivas, tipologias arquitetônicas e perfil de consumo

energético?

Como estabelecer uma classificação de desempenho energético para esse

estoque, em função de suas características, a fim de criar um modelo representativo de certas

tipologias?

Outro ponto é como criar critérios para a

tomada de decisão de medidas de retrofit em edificações existentes

antigas?

Quais medidas são realmente viáveis do

ponto de vista de desempenho?

Algumas intervenções podem mostrar-se agressivas demais, ou com custo elevado que não traria retornos significativos: como avaliar

isso?

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Motivação/justificativa:

1. IntroduçãoO ambiente construído, e os edifícios que o compõem, são parte fundamental da cultura de um país e de seu patrimônio;

Na Europa, o consumo energético de edificações corresponde a 40% do consumo total de energia faturado (EKINS; LEES, 2008);

A reutilização de edificações existentes, antigas ou históricas promove o uso eficiente de recursos e a preservação de valores culturais.

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• Toda edificação, com o passar do tempo, está sujeita a obsolescência funcional e física (REY, 2004)

• Manutenções regulares podem retardar este processo, mas após certo tempo intervenções mais pesadas podem ser inevitáveis.

RETROFIT

1. Introdução

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• Valorização do imóvel;• Adaptação a novos padrões de

uso ou novas tecnologias;• Otimizar ou reduzir consumo

energético;• Melhoria de conforto ou

estética;• Atualizar sistemas/equipamentos

obsoletos.

Medidas de RETROFIT

• O tempo de vida dos elementos construtivos de uma edificação varia bastante.

• Em edifícios comerciais, pode variar de alguns meses, para certos acabamentos internos, para até mais de 30 anos para elementos de fachada (REY, 2004)

Na Europa houve aumento significativo do mercado de retrofit (CACCAVELLI, 2002);

Na Suíca, 65% dos edifícios comerciais construídos entre 1947 e 1989 estavam em processo de retrofit (REY, 2004)

Retrofit em edifícios comerciais

• Tempo de vida útil dos edifícios comerciais são menores do que os residenciais;

• Exigências dos usuários mudou consideravelmente nos últimos 10 anos (equipamentos de escritório, automação, padrão de uso e conforto);

• Crise no mercado imobiliário na Europa: aumento de edifícios não ocupados e aqueles que oferecem poucos serviços de conforto e flexibilidade tinham pouca procura no mercado (dificuldade de comercialização);

• Retrofit custa menos (mesmo para grandes investimentos) do que demolição e reconstrução (mais ou menos metade ou um terço do custo);

Razões para o retrofit de edifícios comerciais:

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CACCAVELLI, 2002

Estratégia de retrofit: é um conjunto de intervenções, orientado por diretrizes arquitetônicas coerentes e tecnicamente otimizadas (REY, 2004)

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Eficiência energética: legislação européia

Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), 2002

• Padrões mínimos de desempenho energético;• Certificação energética para edificações novas e existentes;• Edifícios com mais de 1.000 m² passando por retrofit devem melhorar

desempenho energético;• Obrigatoriedade da certificação energética quando um imóvel for

comercializado o alugado.

Energy End-Use Efficiency and Energy Services Directive (ESD), 2006• Mercado de serviços relacionados com eficiência energética e

fornecimento de programas e soluções aos usuários finais;• Economia de energia de pelo menos 9%, entre 2008 a 2016;• Exemplo do setor público;• Promover a existência de auditoria independentes e altamente

qualificadas.

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• “A redução no consumo de energia em edificações existentes pode ser atingida com a implementação medidas energéticas de retrofit, que vão desde alterações físicas de um edifício até rotinas operacionais, incluindo controles avançados e iluminação eficiente” (CHIDIAC, et al., 2011).

O Retrofit visando eficiência energética

Como avaliar medidas de retrofit em edificações e

sua relação custo-benefício?

Eficiência energética em edificações: uso racional de energia

2. METODOLOGIAS PARA ANÁLISE DE RETROFIT

TOBUSProjeto OFFICE Avaliação de estratégias de retrofit com base em múltiplas variáveisMetodologia para triagem e avaliação do impacto de medidas de retrofitAvaliação de medidas de retrofit utilizando análise de ciclo de vida

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2. Metodologias para análise de retrofit

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TOBUS – França (CACCAVELLI, 2002)

Projeto OFFICE - Dinamarca, Inglaterra, França, Alemanha, Grécia, Itália, Noruega, Suécia e Suíça (HESTNES, 2002)

Avaliação de estratégias de retrofit com base em múltiplas variáveis – Suíça (REY, 2004)

Metodologia para triagem e avaliação do impacto de medidas de retrofit – Canadá(CHIDIAC et al., 2010)

Avaliação de medidas de retrofit utilizando análise de ciclo de vida – Itália(ARDENTE et al, 2011)

2.1 TOBUS - França

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Ferramenta de decisão para seleção de soluções de retrofit de edificações e estimativa dos custos para melhoria de eficiência energética e condições de conforto.

Software de análise que permite definir a melhor estratégia de retrofit:

Módulos da análise

1. Diagnóstico: estado de deterioração, obsolescência funcional, consumo de energia e qualidade do ambiente interno

2. Ações: definição das estratégias de retrofit e seus custos para melhorar o estado de conservação do edifício, aumentar eficiência energética e condições de conforto.

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Diagnóstico:• Registro sistemático de todo o

edifício, separado por tipo de componente ou serviço.

• Degradação física: 4 níveis. Informações sobre as datas de construção ou instalação de elementos também são inseridas. (Tabela 1)

• Ações: ações/serviços de retrofit para os componentes são definidos de acordo com 4 códigos que possuem relação com uma listagem de ações possíveis inserida no sistema. (Tabela 2)

• Custo: preços unitários de serviços comuns, considerando padrão da edificação (baixo, médio, alto) e quantidade de serviços propostos para cada solução (dados da Suíça, em euros)

(CACCAVELLI, 2002)

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• É realizada auditoria no local: feita por módulos permitindo diferentes níveis de análise.

• Geralmente, são necessárias duas visitas ao local dependendo no nível de complexidade da edificação.

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• O procedimento de auditoria coleta informações sobre o desempenho atual do edifício para executar uma avaliação preliminar e depois testar diversas medidas de retrofit.

Análise de obsolescência funcional e consumo energético:

• Para elementos identificados com obsolescência funcional, TOBUS propõe um conjunto padrão de ações de retrofit.

• O sistema TOBUS faz uma estimativa das cargas da edificação (aquecimento, resfriamento e iluminação), consumo de energia e avaliação da economia de energia resultantes de diferentes intervenções para aquecimento e resfriamento de ambientes, produção de água quente, iluminação, equipamentos e elevadores e economia de água.

Análise da qualidade do ambiente interno. Critérios:

• Conforto térmico• Qualidade do ar (umidade, poluição e ventilação)• Iluminação (conforto visual)• Ruído (conforto acústico)

São utilizados questionários para avaliar satisfação e percepção dos usuários

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retr

ofitMedidas avaliadas pelo sistema:

• Proteção da envoltória (isolamento de paredes tetos, vidros duplos, cor das paredes e telhado, tratamento de infiltrações)

• Proteção solar;• Técnicas de resfriamento passivo e híbrido (ventiladores de teto, ventilação noturna);• Sistema de aquecimento;• Controle dos sistemas de ventilação;• Sistema de recuperação de energia;• Armazenamento de água gelada;• Eficiência energética de lâmpadas/luminárias e luz do dia;• Aquecedores de água de passagem;• Equipamento de escritório eficientes (baixo consumo energético);• Zoneamento de elevadores e qualidade do serviço;• Economizadores de água nos sanitários.

O sistema avisa e emite recomendações quando alguma medida de retrofit interfere negativamente outros sistemas da edificação.

2.1 TOBUS - França

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ofitProcesso de decisão

• TOBUS propõe medidas típicas para o auditor de acordo com o resultado do diagnóstico, mas não fornece nenhuma ligação automática entre diagnóstico e cenários.

• Cada cenário mostra níveis diferentes de melhorias para os edifícios e todos possuem variações no custo estimado de intervenção.

• Com essas informações, o auditor consegue comparar qual conjunto de medidas proporciona maior economia de energia, melhoria nas condições ambientais para os ocupantes e se está dentro do orçamento disponível.

• Ferramenta testada em 15 edificações pesquisadas. Cada país gerou um relatório de uso do software com sugestões para melhoria.

• O TOBUS pode ser utilizado não somente para uma auditora pontual mas para uma ferramenta de auxílio na etapa de projeto de uma edificação.

2.2 Projeto OFFICE

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ofitProposto por Hestnes (2002) - Dinamarca, Inglaterra, França,

Alemanha, Grécia, Itália, Noruega, Suécia e Suíça;

Promoção de uso de energia passiva solar e aplicação de medidas de retrofit em edifícios de escritórios.

Combina a análise em três níveis:

Medidas individuais

Cenários

Pacotes

As análises compreenderam: demanda energética por mês, valor inicial de investimento e

curvas de frequência de temperatura interna/externa

(conforto térmico)

136 medidas, 46 cenários e 11 pacotes analisados

2.2 Projeto OFFICE

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Níveis da análise para definição de estratégias:

Medidas individuais de retrofit

melhoria em isolamento térmico,

uso de dispositivos de sombreamento,

redução de taxas de troca de ar e melhoria

nos sistemas de aquecimento e

condicionamento de ar.

Combinação de medidas de retrofit

melhorias na envoltória, uso de técnicas passivas

de resfriamento/ventilação, melhorias no sistema de iluminação e melhorias nas instalações HVAC.

A combinação de medidas foram

chamadas de cenários.

Combinação de diferentes cenários de

retrofit

compõem um conceito integrado de

projeto de retrofit, foram chamadas de

pacotes.incluem as medidas

mais promissoras dos cenários

2.2 Projeto OFFICE

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• Edifícios com alto consumo energético inicial resultaram em maiores ganhos de eficiência. A redução é menor para edifícios em melhores condições.

• A maioria dos pacotes resultaram em tempo de retorno de investimento de 10 a 15 anos.

• Tecnologias para melhoria da eficiência energética e de energias renováveis podem contribuir para a redução do consumo energético em edifícios com alto consumo energético.

• Em climas quentes, técnicas de resfriamento passivo podem resultar em reduções significativas de consumo energético para resfriamento.

• Em climas frios, melhorias na envoltória e uso de ganho solar podem resultar em reduções significativas de consumo energético para aquecimento.

• Em todos os climas, redução no consumo de iluminação são limitados, sendo substancial apenas para edifícios com alto consumo.

Se todas as estratégias dos pacotes fossem implementadas nos 10 edifícios, eles teriam um consumo de energia comparável com edificações novas.

Sete deles teriam um consumo energético menor do que 100 kWh/m2/ano.

2.3 Avaliação com base em múltiplas variáveis

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Proposto por Rey (2004) - Suíça

Enfoque em edificações de escritórios construídas entre 1947 e 1989.

A metodologia propõe que os critérios arquitetônicos de intervenção devem levar em conta o material original (substância) e o grau de modificação resultante da intervenção.

A observação de diversos projetos demonstrou que no caso de retrofit em edifícios de escritórios a intervenção na fachada traz resultados muito significativos.

• STA (Stabilization Strategy) – Estratégia de estabilização: intervenções que não alteram significativamente a aparência da edificação;

• SUB (Substitution Strategy) – Estratégia de substituição: consiste na troca completa de certos elementos e altera simultaneamente a substância a aparência da edificação;

• DSF (Double-skin Façade Strategy) – Estratégia de fachada dupla: mais intrusivas, pois consistem na estabilização da fachada original e inserção de uma nova camada de vidro externa;


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Algoritmo matemático para determinar quais estratégias de retrofit são globalmente as mais eficientes para uma dada edificação.

critérios ambientais (consumo anual de energia para aquecimento, eletricidade e emissões de gases poluidores)

critérios socioambientais (conforto térmico dos usuários durante o verão, conforto acústico e conforto visual com relação à luz natural e artificial)

critérios econômicos (custos de renovação/retrofit e custos de operação anuais).


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Edifício “La Suisse” (1952-1954) Lausanne• Fachada com

elementos estruturais aparentes, salas de escritórios naturalmente ventilados, típico da década de 50

• Estratégia de estabilização

Edifício “De Rahm” em Lausanne (1964-1965)• Influenciada pelos

princípios do chamado estilo internacional (estrutura independente e fachadas em vidro)

• Estratégia de estabilização

Edifício “Cours de Rive” em Geneva (1976-1978)• Crise do petróleo até o

fim da década de 80. É caracterizada por sistema construtivo pesado (painéis pré-fabricados de concreto) e grandes sistemas de instalações.

• Estratégia de fachada dupla


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ofitDe acordo com o algoritmo de Rey (2004) as estratégias de estabilização

(que não alteram significativamente as fachadas) mostraram-se mais vantajosas devido à relação custo-benefício das soluções, levando-se em conta o desempenho energético e conforto ambiental das edificações.

Deve ser levado em conta também a possibilidade de manter atividades dentro da edificação durante uma obra de retrofit, e este aspecto pode ser decisivo dependendo do caso.

2.4 Metodologia para triagem e avaliação de impacto

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Chidiac et al. (2010) desenvolveram uma metodologia para triagem e avaliação do impacto de medidas de retrofit em edifícios de escritórios existentes no Canadá.

Foram realizadas simulações de desempenho energético utilizando o software Energy Plus em edificações existentes com data de construção entre 1931 e 1986.

A metodologia inclui dados de região

climática, consumo energético pré/pós

retrofit, implementação das medidas de retrofit

e custos de energia, juros e inflação

A proposta foi agrupar as edificações em tipos

de construção similares, para gerar

um banco de dados dos efeitos das medidas de

retrofit no consumo energético

O software escolhido foi o Energy Plus, onde os

modelos foram inseridos e calibrados.

Foram utilizados 9 edifícios para

calibração.


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As edificações foram agrupadas segundo a idade, tipologia construtiva e localização, resultando em três protótipos referenciais que representam as edificações comerciais no país:

Tipo 1: construídas antes de 1950

Tipo 2: construídas entre 1950-1975

Tipo 3: construídas após 1975

Tipologia LV – Large (12 andares,24.000m2) com revest. tijolos/paredes externas blocos de concreto

Tipologia LC – Large (12 andares, 24,000m2) parede externa tipo cortina

Tipologia S – Small (2 andares, 4.200m2) com resvestimento em tijolos/paredes externas blocos de concreto


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Estratégia de simulação - medidas de retrofit (ERM): 12 no total • Redução de carga de iluminação para 10W/m² (troca para lâmpadas T8);• Melhorias na transmitância térmica (U) de janelas, paredes e telhados;• Dimerização de iluminação interna, para aproveitamento de luz natural;• Substituição de boilers por modelos mais eficientes.

• Estimar o consumo energético das edificações baseadas em um conjunto de variáveis relacionadas com sistemas de iluminação, equipamentos mecânicos, ocupação, propriedades da envoltória e sistemas de climatização

• Cálculo de período de retorno de investimento da medidas de retrofit

Os dados gerados nas simulações foram utilizados para o

desenvolvimento de equações

matemáticas, utilizando método de análise de regressão

não linear


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Dentre as medidas simuladas, a adição de camada de isolamento térmico nas paredes externas mostrou-se inviável nos três grupos estudados pelo alto período de retorno financeiro (100 anos).

Já o tempo de retorno para melhorias no isolamento térmico da cobertura foi influenciado pela dimensão da edificação e região climática.

A relação custo benefício de upgrade de boiler é melhor para edifícios com pouco área do que para edifícios maiores.

Edifícios pequenos se beneficiam mais das medidas de retrofit aplicadas em telhados do que edificações grandes.

Com a utilização de dados de consumo energético e custo para implementação de retrofits a ferramenta mostrou-se efetiva na

determinação do período de retorno dos investimentos.

2.5 Avaliação com análise do ciclo de vida

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Proposto por Ardente et al. (2011) - Itália

Comparativo de consumo energético em edifícios públicos, antes e depois de aplicação de medidas de retrofit ;

Projeto: EU Project ‘‘BRITA in PuBs’’ (Bringing Retrofit Innovation to Application in Public Buildings.

Objetivos: • Aumentar a inserção de soluções inovadoras e eficientes de retrofit;• Incentivar melhorarias na eficiência energética em edificações

existentes;• Implementar energias renováveis em edifícios públicos por toda

Europa.


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Método utilizado: análise do ciclo de vida, seguindo os preceitos da norma ISO 14040 (Environmental management - Life cycle assessment principles and framework).

Enfoque nos materiais e componentes utilizados no retrofit, nos principais componentes dos sistemas de energia e nos impactos relacionados à construção da edificação, tanto para os elementos construtivos como para a construção como um todo.

Caso 01: Brno University of Technology – Building: Old Brewery Antiga cervejaria da cidade localizado no centro histórico

• área total depois da intervenção: 2.660 m2; • localizado no centro histórico, antiga cervejaria da cidade. • Era naturalmente ventilado, não possuía aquecimento. • Foi transformado em um moderno centro cultural para estudantes e professores.• Renovação estrutural, retrofit energético com componentes inovadores:

isolamento térmico das paredes, sistemas HVAC alta eficiência, boilers eficientes, painéis fotovoltaicos.


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Caso 02: SunLab – Building: Hol Church, Gol Antiga igreja norueguesa em madeira

• área total depois da intervenção: 555 m2• substituição de peças em madeira

deterioradas; instalação de isolamento com lã de rocha; introdução de sistema de aquecimento solar de água; instalação de painéis fotovoltaicos e iluminação eficiente.

Caso 03: Cenergia – Building: Prøvehallen, Copenhagen

Antiga área industrial que foi transformada em um centro cultural moderno e eficiente

• área total depois da intervenção: 2.300m2;• originalmente muito simples, fechamentos

sem isolamento térmico algum e esquadrias com vidros simples

• instalação de isolamento na envoltória, substituição de janelas e um sistema mecânico de ventilação com controle sob demanda e instalação de painéis fotovoltaicos;

• o excesso de energia é vendido para a concessionária.


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• As medidas de retrofit alcançaram economia de energia de cerca de 50% para os sistemas de aquecimento.

• Com relação à energia elétrica, uma edificação apresentou economia de 90%, com adoção de medidas como:• isolamento de paredes com lã de rocha;• substituição de vidros das fachadas por vidros de alto

desempenho triplos;• instalação de novos sistemas de aquecimento e

ventilação com alta eficiência;• além da instalação de um sistema de aquecimento solar

para suprir 32% da demanda de água quente (ARDENTE et al., 2011).

Resultados:

3. CONCLUSÃO 3 .C

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3. Conclusão

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A ferramenta que se mostrou mais completa, com um sistema de análise abrangente e auditorias in loco, foi o software TOBUS.

No entanto, não foi possível encontrar atualmente o software denominado TOBUS para visualização de sua interface e funcionamento.

A avaliação de retrofit com base em múltiplas variáveis apresentada por Rey (2004) teve enfoque nas envoltórias das edificações, e sua classificação de estratégias de intervenção é interessante (estabilização, substituição e fachada dupla), pois estabelece níveis de intervenção que podem ser aplicados a edificações antigas ou com valor histórico.

O projeto OFFICE também apresenta uma metodologia interessante para a definição das estratégias de retrofit, através dos seus níveis (medidas individuais, cenários e pacotes). No entanto, o foco da pesquisa foi a promoção do uso de energia solar passiva e não foram apresentadas as características das edificações estudadas, sendo impossível avaliar se as propostas são muito intrusivas ou não.

As propostas de intervenção apresentadas por Ardente et. al (2011), que realizaram análise de ciclo de vida, parecem ser bastantes intrusivas (por exemplo, na edificação que recebeu uma torre com geradores eólicos), mas não há como avaliar ao certo já que não há informações muito detalhadas das edificações e as fotos inseridas estão muito pequenas.

3. Conclusão

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A questão de como avaliar estratégias de retrofit torna-se mais complexo quando as edificações possuem elementos construtivos ou arquitetônicos com relevância histórica ou importância estética.

Nessas edificações a busca pelo desempenho ótimo ou máximo pode não ser viável, já que pode haver elementos que, se alterados, descaracterizariam completamente a edificação.

A análise de estratégias de retrofit envolve múltiplas variáveis, e os critérios e limitadores podem ser diferentes dependendo da edificação;

A aplicação de medidas de retrofit em uma edificação antiga sempre resultará em alguma modificação, que deve levar em consideração seu grau de degradação, sua qualidade arquitetônica e o valor histórico dos materiais originais;

Por isso o desenvolvimento de ferramentas capazes de analisar diversas variáveis torna-se imprescindível para avaliação sistemática de medidas de retrofit.

Na maioria dos estudos de caso apresentados a opção de substituição ou intervenção nas fachadas dos edifícios mostrou-se economicamente inviável, mas traria bons resultados do ponto de vista do desempenho energético.

Referências Bibliográficas

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Bib

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ráfic

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• BUCK, J.; YOUNG, D. The potential for energy efficiency gains in the Canadian commercial building sector: A stochastic frontier study. Energy, v. 32, n. 9, p. 1769-1780, 2007. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360544206003306>. Acesso em: 21/5/2011.

• CACCAVELLI, D. TOBUS. A European diagnosis and decision-making tool for office building upgrading. Energy and Buildings, v. 34, n. 2, p. 113-119, 2002. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378778801001001>. Acesso em: 21/5/2011.

• CHIDIAC, S. E.; CATANIA, E. J. C.; MOROFSKY, E.; FOO, S. A screening methodology for implementing cost effective energy retrofit measures in Canadian office buildings. Energy and Buildings, v. 43, n. 2-3, p. 614-620, 2011. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378778810003993>. Acesso em: 5/7/2011.

• EKINS, P.; LEES, E. The impact of EU policies on energy use in and the evolution of the UK built environment. Energy Policy, v. 36, n. 12, p. 4580-4583, 2008. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0301421508004862>. Acesso em: 15/6/2011.

• HESTNES, A. Effective retrofitting scenarios for energy efficiency and comfort: results of the design and evaluation activities within the OFFICE project. Building and Environment, v. 37, n. 6, p. 569-574, 2002. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360132302000033>. Acesso em: 21/5/2011.

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