Otimização térmica de caixilhos de janelas

Resumo O desempenho térmico de esquadrias pode ser facilmente calculado através de simulações numéricas 2D. Vários pacotes de software comercial estão disponíveis e os padrões internacionais fornecem uma metodologia clara para calcular a transmitância térmica. No entanto, embora estes métodos sejam bem conhecidos na academia e na comunidade científica em geral, a otimização térmica ainda não atingiu todo o seu potencial na indústria da construção e há uma margem considerável para melhorias. Especificamente para as pequenas e médias empresas, faltam directrizes que sejam suficientemente genéricas para garantir uma utilização generalizada, bem como suficientemente específicas para permitir uma interpretação e implementação fáceis e directas. Neste projeto de pesquisa, foram desenvolvidas seções genéricas de janelas para esquadrias de vinil, alumínio e madeira em colaboração com a indústria da construção. Com base num estudo de mercado, foram identificadas e descritas abordagens típicas para melhorar o desempenho térmico de cada tipo de caixilho de janela. Posteriormente, o impacto de melhorias separadas, bem como os efeitos combinados, foram estudados utilizando métodos de cálculo padronizados e avançados. Para isso, são discutidos os fenômenos de transferência de calor e a forma como estes são modelados de acordo com procedimentos de cálculo padrão. Além disso, são discutidos vários efeitos secundários provenientes das normas, por exemplo, a espessura da IGU, a profundidade do rebaixo da janela, condutividades térmicas equivalentes e o impacto de coeficientes de transferência de calor reduzidos. Revisão por pares sob responsabilidade do CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Nathan Van Den Bossche et al. / Energia Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2501 Ao longo das últimas décadas tem havido um interesse crescente na redução do consumo de energia nos edifícios. Existem muitos aspectos que contribuem para a eficiência energética global de um edifício, por exemplo: um design inteligente, sistemas HVAC eficientes, interfaces herméticas e um nível de isolamento adequado. Particularmente, o desempenho do isolamento foi investigado minuciosamente em estudos anteriores. Apesar de muita investigação, um componente do edifício continua a ser uma fonte de preocupação, mais especificamente a moldura da janela. É um componente bastante complexo devido a condições de contorno específicas relacionadas com desempenho mecânico, operacionalidade, acústica, etc. Para paredes, telhados e pisos, as diretrizes típicas para a transmissão térmica máxima nos países do centro e do norte da Europa situam-se entre 0,1 e 0,3 W.m²K, o que pode ser facilmente alcançado com tipos de construção comuns. Para janelas as diretrizes são menos rígidas e normalmente variam entre 0,8W/m²K e 2,4W/m²K. Em alguns países também existem requisitos específicos para as IGU. Os vidros duplos comerciais com revestimento low-e e enchimento de gás argônio têm uma transmitância térmica de 1,1 W/m²K, enquanto os vidros triplos e os vidros a vácuo podem chegar a 0,5 W/m²K. Tanto quanto é do conhecimento dos autores, não existem restrições específicas em diferentes países quanto à condutividade térmica dos caixilhos das janelas. Observe que a imposição de restrições específicas tornaria impossível a construção de algumas configurações de janela específicas. Por exemplo, janelas e portas de correr típicas em alumínio ou vinil disponíveis no mercado têm uma transmitância térmica entre 2,0 e 4,5W/m²K. Não porque o desempenho térmico não tenha sido considerado no processo de projeto, mas devido às restrições práticas de fabricação e facilidade de uso. A informação sobre otimização térmica na literatura científica e na literatura em geral é bastante escassa [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] estudaram o impacto da condutividade térmica do material da estrutura e das rupturas térmicas, para definir metas de desempenho do material para projetos de janelas de corrente. Observe que um valor U de 0,5 W/m²K foi escolhido como nível de desempenho exigido, simplesmente com base no fato de que os melhores IGUs comerciais no mercado agora têm um valor U de 0,5W/m²K. Com base nessa abordagem, concluiu-se que as rupturas térmicas devem ter uma condutividade térmica inferior a 0,02 W/mK (ou 0,005 W/mK se forem desenvolvidos “novos” materiais), os materiais isolantes estruturais para perfis compósitos de madeira devem ter uma condutividade térmica inferior a 0,03 W/mK e, idealmente, as molduras de alumínio e PVC devem compreender cavidades com uma emissividade inferior a 0,05 para os materiais circundantes. Nenhuma diretriz de projeto para a geometria da janela foi apresentada e nenhum caminho foi especificado sobre como adquirir as condutividades especificadas. Da mesma forma, Byars e Arasteh [5] também focaram no impacto da condutividade térmica no valor U do quadro. A pesquisa de Gustavsen [1] indicou que embora a convecção seja modelada na EN ISO 10077-2 [6], adotando uma abordagem simplificada com condutividades térmicas equivalentes, os resultados se comparam bem com as simulações de fluxo de fluido. A ISO 10077-2 prescreve que cavidades com uma interconexão não superior a 2 mm devem ser consideradas separadas. Falta qualquer referência a artigos ou pesquisas para essa suposição e, por meio de simulações de CFD, foi demonstrado que 7 mm seria um critério mais realista. 2. Modelos e método de simulação Uma análise das características de uma gama de caixilhos de janelas actualmente disponíveis no mercado belga resultou na concepção de três materiais de caixilharia diferentes: alumínio, madeira e vinil. Estes constituem uma base neutra para simulações e podem ser utilizados como modelos genéricos, a fim de evitar que os produtos existentes sejam favorecidos ou desfavorecidos. Estes modelos foram concebidos em colaboração com a Associação Belga de Construção e Certificação BCCA) e o Centro Europeu de Alumínio, não só para garantir o design neutro das caixilharias, mas também para obter uma visão fiável das medidas típicas que são tomadas para melhorar o desempenho térmico das caixilharias. Para as esquadrias de alumínio a referência padrão atual na Bélgica é um perfil de 3 câmaras com ruptura térmica em poliamida reforçada com fibra de vidro. O sistema é hermético e estanque por meio de uma junta central, normalmente em combinação com uma junta interna. Da mesma forma, as esquadrias de vinil comuns são compostas por 5 câmaras, e um perfil de aço é inserido para garantir resistência e rigidez adequadas. A estanqueidade é assegurada também por duas juntas, uma no plano interior e outra no plano exterior. O quadro de referência em madeira tem uma espessura de 68mm, é fabricado em madeira nobre e é composto por junta interior e central. Em colaboração com o BCCA foi iniciado um pequeno exercício de simulação round robin. Os fabricantes de caixilhos de janelas foram convidados a simular os modelos genéricos e reportar o valor Uf de acordo com a EN ISO 10077-2. Apenas 5 empresas responderam ao convite, pelo que os resultados não podem ser considerados representativos para toda a indústria da construção belga, mas mesmo assim foram tiradas algumas conclusões interessantes. Primeiramente, foram utilizados Therm [7] e Bisco [8] e similares 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 resultados foram encontrados. Em segundo lugar, para a moldura de madeira o desvio padrão foi de 0,00W/m²K, enquanto um desvio padrão de 0,01 W/m²K foi encontrado para a moldura de vinil e alumínio. Evidentemente, a condução é a forma mais importante de transferência de calor na moldura de madeira, enquanto a convecção e a radiação (e condutividades térmicas equivalentes) são mais importantes nos outros perfis. Fig. 1 Esquadrias genéricas em alumínio (esquerda), vinil (meio) e madeira (direita). A geometria de cada modelo é baseada no denominador comum dos sistemas comerciais. Estes projetos podem ser considerados básicos e talvez não representativos da prática de construção atual, mas ao utilizar esta abordagem é mais simples avaliar e quantificar o impacto de diferentes estratégias de melhoria. A norma europeia EN ISO 10077-2 fornece um método de cálculo numérico para calcular o valor U da estrutura (Uf), que normalmente é feito usando um programa comercial de transferência de calor 2D, como Therm ou Bisco. Para esta análise, foi utilizado Bisco, mas foi adotada uma abordagem fisicamente mais correta. As alterações mais importantes são o cálculo preciso dos fatores de visão e do modelo de radiação não linear (contrariamente ao uso de condutividade térmica equivalente para cavidades na EN ISO 10077-2) e a análise separada de radiação e convecção em cavidades e nas superfícies internas e externas. A EN ISO 10077-2 especifica que uma temperatura média de 10°C pode ser adotada para o cálculo da condutividade térmica equivalente. Simulações mostram que mesmo em referenciais simétricos a convecção dependente da temperatura na verdade induz diferenças de até 0,003W/m²K nos modelos aqui considerados (lembrando que em condições mais extremas onde a convecção e a radiação são mais importantes, foram encontradas diferenças de até 0,04W/m²K). Em geral, isto leva a valores Uf ligeiramente mais baixos, mas permite uma avaliação mais correta de diferentes estratégias de otimização. Utilizando o método de simulação mais preciso, o valor Uf do caixilho de janela de vinil é 2% inferior em comparação com o método de cálculo EN ISO 10077-2, enquanto que para os caixilhos de madeira e alumínio o valor Uf é quase 1% inferior. Em contraste, regista-se uma diferença maior na contribuição das três diferentes formas de transferência de calor (condução, radiação e convecção) para o desempenho térmico global. Geralmente, o método de cálculo EN ISO 10077-2 subestima a importância da radiação e da convecção e superestima a importância da condução. Especificamente para o modelo de estrutura de madeira, a diferença na contribuição das formas de transferência de calor entre a EN ISO 10077-2 e o método mais preciso é impressionante. Isto pode ser atribuído a uma redistribuição das diferentes formas de transferência de calor devido à importância subestimada da radiação e convecção nas cavidades da estrutura. À medida que a condutividade térmica equivalente das cavidades aumenta, ela se aproxima da condutividade da madeira. Assim, uma parte do fluxo de calor que inicialmente fluía através da madeira agora “escolhe” atravessar a cavidade por meio de radiação, à medida que a diferença na resistência ao fluxo de calor entre a madeira e a cavidade diminuiu. Finalmente, nas simulações a IGU é – de acordo com a EN ISO 10077-2 – substituída por uma camada de isolamento com a mesma espessura e uma condutividade térmica de 0,035W/mK. Dado que para o cálculo de valores Uf que não são baseados no projeto (como é normalmente o caso), não está claro qual a espessura do vidro que deve ser assumida. A Tabela 1 apresenta os valores Uf para os três caixilhos de referência, calculados para uma espessura de vidro de 24 mm (vidro duplo 4-16-4) e 42mm (vidro triplo 4-15-4-15-4). Nathan Van Den Bossche e outros. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2503 Tabela 1. Valores Uf de caixilharias genéricas com vidros de 24mm e 42mm. Valores Uf vidro duplo 24mm (W/m²K) vidro triplo 42mm (W/m²K) diferença (W/m²K) diferença (%) alumínio 2,773 2,618 0,155 5,59 madeira 1,707 1,640 0,067 3,93 vinil 1,503 1,451 0,052 3,46 3. Estratégias de otimização térmica Ao longo da análise de caixilharias comerciais existentes, foram encontradas diversas estratégias de otimização térmica. Uma análise de sensibilidade das diferentes técnicas de otimização foi realizada nos modelos genéricos correspondentes. 3.1. Alumínio A Tabela 2 relata as diferentes estratégias de otimização aplicadas ao modelo de caixilharia de alumínio com transmitância térmica de 2,775 W/(m²K). O valor Uf mais baixo alcançável combinando essas estratégias é 1,210 W/(m²K), uma redução na perda de calor de 56%. Observe que este não deve ser considerado como o valor mais baixo alcançável. A análise aqui relatada centra-se no impacto relativo de intervenções separadas e combinadas e, através de uma otimização específica mais focada, podem ser alcançados valores ainda mais baixos. Tabela 2. Estratégias de otimização para esquadrias de alumínio. Estratégias de otimização Valor Uf (W/m²K) Melhoria (%) início: caixilharia de alumínio modelo 2,775 0 A. largura de otimização dos perfis de alumínio 2,759 1 B. ruptura térmica (de λ=0,30 a λ=0,17W/mK) 2,624 5 C. ruptura térmica estendida (de 34 a 54mm) 2,660 4 D. junta central divisória (profundidade cavidades 6mm) 2.713 2 E1. separação térmica divisória (cavidades de profundidade 6mm) 2.411 13 E2. isolamento na ruptura térmica (λ=0,035W/mK) 2.336 16 F1. vedação estendida do vidro para bloquear a radiação 2.570 7 F2. vidros deslocados (de 15 a 30mm em rebaixo de vidro) 2.486 10 F3. isolamento entre vidro e moldura (λ=0,035W/mK) 2.475 11 G. alumínio não tratado em cavidades (ε=0,3) 2.499 10 H. Vidro triplo 2.618 6 combinação A+B+C+D+E1+F1 1.709 38 combinação A+B+C+D+E1+F2 1.594 43 combinação A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 combinação A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 combinação A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 combinação A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Algumas partes de uma seção podem ser melhoradas de diferentes maneiras. Por exemplo, para bloquear a radiação e diminuir a convecção, a ruptura térmica pode ser dividida em diferentes cavidades, ou as cavidades entre a ruptura térmica podem ser preenchidas com material isolante. A última opção revela-se a mais eficaz: em vez disso, obteve-se uma melhoria do valor Uf de 16%, enquanto uma redução de 13% foi evidente ao dividir a ruptura térmica em cavidades separadas. Além disso, a cavidade entre a IGU e a estrutura pode ser tratada de diferentes maneiras. Pode ser dividido em 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 separam cavidades estendendo a junta do vidro ou deslocando o vidro mais profundamente na moldura. No entanto, preencher esta cavidade com isolamento parece ser novamente a melhor opção. Se esta técnica for aplicada, deve-se prestar atenção para evitar que a água capilar penetre na vedação secundária da IGU. Ao combinar diferentes estratégias de otimização, o efeito cumulativo não é igual à soma da melhoria separada porque alguns efeitos são neutralizados. Figura 2. Resultados da simulação para os referenciais otimizado (superior) e de referência (inferior). A figura da esquerda mostra a distribuição de temperatura nos perfis de alumínio, a figura do meio mostra o fluxo de calor em cada parte da moldura de alumínio, a figura da direita mostra o fluxo de calor nas molduras de vinil. 3.2. Vinil O valor Uf do modelo de referência da moldura de janela em vinil é 1.503 W/m²K. É possível reduzi-lo para 0,759 W/m²K ou uma redução de 50% escolhendo a combinação certa de técnicas de otimização. O ponto fraco de uma moldura de janela de vinil padrão é o reforço de aço. Existem duas metodologias típicas para resolver este problema: ou substituir o reforço por um material isolante melhor com resistência comparativa ou substituir o material da estrutura por um material mais forte, pelo que o reforço se torna redundante. Para a primeira opção são propostos dois materiais: aço inoxidável e um material compósito. O aço inoxidável tem um desempenho pouco melhor que o aço; por outro lado, um reforço composto (λ=0,2 W/mK) realmente faz a diferença. Além disso, se toda a estrutura for feita de um compósito forte (por exemplo, com fibra de vidro; λ=0,2 W/mK), nenhum reforço é necessário, o resultado quase se aproxima do resultado da estrutura de vinil com reforço compósito. Porém, se as cavidades centrais forem isoladas, os pórticos compósitos alcançam um melhor desempenho em comparação com os pórticos reforçados. Dividir a moldura em mais cavidades para aprofundar a renderização da seção é ineficaz. Aprofundar a moldura de 90 mm para 120 mm e isolá-la reduz a perda de calor em 29%. A instalação de uma junta central reduz a perda de calor em 4%, o isolamento entre a IGU e a moldura em 3%, a utilização de um material compósito para eliminar o reforço de aço proporciona uma redução de 11%. 3.3. Madeira A recente evolução na aplicação de caixilharias de madeira em edifícios de baixo consumo energético é um sinal de que particularmente as caixilharias de madeira Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2505 têm potencial para ter uma baixa transmitância térmica. Assim, o desempenho térmico do IGU deve ser equilibrado com o desempenho da estrutura. Consequentemente o modelo de referência sobre o qual são aplicadas as diferentes técnicas de otimização possui vidros triplos. As janelas de alumínio, por outro lado, são normalmente escolhidas com base na sua relação custo-benefício, durabilidade e geralmente requerem manutenção mínima. No entanto, como as esquadrias de alumínio são amplamente utilizadas, a melhoria da moldura tem consequências importantes. A madeira macia é um isolante melhor do que a madeira dura, mas é menos durável e possivelmente suscetível à deterioração prematura. É por isso que o modelo de referência é feito de madeira dura, mas quando devidamente protegido do meio ambiente, utiliza-se madeira macia. O referencial tem um valor Uf de 1,640W/m²K e combinando as técnicas apropriadas, um valor Uf de 0,584 pode ser obtido. Esta é uma melhoria de 64%. São comparadas três técnicas de otimização em relação ao volume de madeira da moldura. A melhor técnica é substituir três camadas de madeira dura por cortiça, PU e novamente cortiça. Outra abordagem, embora menos bem sucedida, é substituir uma parte rectangular da massa central por cortiça. A terceira opção é fazer pequenos furos na moldura sem diminuir sua resistência. Para proteger a moldura de madeira do ambiente exterior pode ser utilizada uma tela de alumínio ou sintética isolada. Ambas as telas oferecem bons resultados decorrentes da substituição da madeira dura por madeira macia que isola melhor. Aprofundar o quadro de 68 mm para 108 mm diminui o valor Uf de 1,640 para 1,269 W/m²K. A substituição do material de madeira dura por uma combinação madeira-cortiça-pu-cortiça-madeira reduz a perda de calor em 47%. Observe que a inserção de pequenas cavidades de ar (4 mm de altura por 14 mm de largura) no material de madeira maciça pode afetar a durabilidade, e um volume de 16% de cavidades reduz apenas a perda de calor em 9%. Por fim, inserir isolamento entre a IGU e a moldura tem um impacto muito menor em comparação com os demais perfis (1%). Ao contrário dos restantes perfis, o batente do envidraçado já tem um efeito isolante, fazendo com que o isolamento adicional seja menos eficaz. 4. Conclusões e discussão Os resultados da simulação dos modelos genéricos de caixilhos de janelas mostram que um caixilho de janela médio pode ser melhorado entre 50% e 64% com estratégias simples de optimização encontradas no mercado belga. A nova metodologia de simulação prova o seu valor, pois algumas técnicas revelam-se mais eficazes ou obtêm um valor óptimo sob outras condições do que a antiga metodologia assumia. Além disso, novos insights surgiram da análise. Algumas intervenções não atingem um nível óptimo baseado apenas na transmissão de calor: por exemplo, teoricamente, a profundidade da moldura de madeira da janela poderia ser aumentada indefinidamente para minimizar a perda de calor. Um projeto inteligente deve encontrar um equilíbrio ideal entre desempenho térmico, uso restrito de materiais e outras restrições práticas. Para molduras ocas como o modelo de vinil e alumínio, o efeito positivo do aumento da profundidade da IGU na moldura pode ser examinado. Talvez outra opção seria unir estruturalmente a IGU à moldura ao longo de toda a largura da moldura, de modo que a função estrutural da moldura seja parcialmente transferida para a IGU. Devido à influência significativa do alumínio na transmissão de calor da estrutura devido à elevada condutância térmica, pesquisas adicionais sobre a redução da emissividade dos materiais podem levar a uma redução substancial na transferência de calor por radiação. Referências [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Desenvolvendo caixilhos de janelas de baixa condutância: capacidades e limitações das atuais ferramentas de projeto de transferência de calor de janelas - revisão do estado da arte, Journal of building Physics, Vol. 32 (2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Elementos-chave e metas de desempenho de materiais para caixilhos de janelas altamente isolantes. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influência das propriedades geométricas e de emissividade das cavidades no desempenho térmico geral de esquadrias de alumínio para janelas. Energia e Edifícios [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Análise térmica de janelas super isoladas (investigações numéricas e experimentais), Energia e Edifícios, Vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Opções de design para caixilhos de janelas de baixa condutividade. Materiais de Energia Solar e Células Solares 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Desempenho térmico de janelas, portas e venezianas - Cálculo da transmitância térmica Parte 2: Método numérico para caixilhos, 2012. [7] Manual de simulação Therm 6.3 NFRC, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013. [8] Bisco 10.0w. Manual do usuário, Physibel, 2012.