O balanço térmico é uma análise segundo a qual é possível contabilizar as trocas de calor que se dão num determinado espaço. A envolvente opaca de um edifício consiste num conjunto de elementos que limitam o exterior do interior de um edifício. Os elementos que constituem a envolvente são, normalmente, os que possuem uma construção consistente tais como paredes, pavimentos, coberturas, janelas ou portas. Assim, para o cálculo do balanço térmico é necessário ter em conta com os diferentes tipos de transmissão térmica.
3.2.1 Processos de Transferência de Calor
O calor pode ser definido como a energia térmica transferida entre dois corpos, que estão a temperaturas diferentes. Em termos termodinâmicos podemos afirmar que o calor não depende de nenhum estado mas sim do caminho que percorre para evoluir de um estado inicial até um estado final. A transmissão de calor pode ocorrer segundo três mecanismos:
• Condução; • Convecção; • Radiação.
A transferência de calor poderá caracterizar-se também pela ocorrência, em simultâneo, de mais do que um dos processos acima referidos.
1. Condução
É um processo de transferência de calor segundo o qual a energia térmica é transferida de um ponto para o outro através da interacção dos átomos (ou moléculas) da matéria. Existe condução em sólidos, líquidos e gases sendo que nos líquidos e sólidos, não condutores eléctricos, a condução térmica dá-se devido às oscilações longitudinais da estrutura enquanto nos gases é devido à colisão elástica das moléculas. Para sólidos condutores (por ex. metais) a
condução é feita devido ao movimento de electrões livres tal como na condução eléctrica. O fluxo de calor tem o sentido da temperatura mais quente para a temperatura mais fria.
Nos edifícios verifica-se que o processo de transferência de calor que mais impacto tem é a condução e esta é calculada pela seguinte equação (Equação 3.1):
Equação 3.1 dx dT A X T T A QCondução = × − × = • λ λ ( 1 2) λ – condutividade térmica [W/mºC]; A – área da secção ou elemento [m2];
dT – diferença de temperatura entre dois pontos [ºC];
dx – distância entre pontos [m];
dT/dx – gradiente de temperatura [ºC/m].
Figura 3.1 – Transferência de calor por condução
(Fonte: [11])
A constante λ representa a condutividade térmica dos materiais e mede a capacidade do material para conduzir o calor.
2. Convecção
É o processo de transferência de calor através do qual um sólido e um fluido trocam energia. A convecção envolve a combinação dos efeitos da condução e do movimento de fluido. O calor transferido por convecção é calculado segundo a Equação 3.2:
Equação 3.2 ) ( S f Convecção h AT T Q = × − • Tf – temperatura do fluido [ºC] TS – temperatura do sólido [ºC]
A – área da superfície do sólido [m2]
Podemos observar dois tipos distintos de convecção, sendo estes a convecção natural e a convecção forçada.
Convecção Natural
O movimento do fluido adjacente à superfície de um sólido é causado por forças induzidas pela mudança da densidade do fluido, devido às diferenças de temperatura entre o sólido e o fluido. Quando um elemento quente (digamos por exemplo uma chapa de metal) é deixado a arrefecer ao ar, as partículas do ar adjacente à face da placa vão aquecer decrescendo a sua densidade e em consequência mover-se em sentido ascendente.
Figura 3.2 – Convecção Natural (Fonte: [11])
Convecção Forçada
A convecção forçada implica a acção externa de um elemento (uma ventoinha, por exemplo) que vai acelerar o caudal de fluido que está em contacto com a superfície do sólido. O movimento rápido das partículas sobre a superfície do sólido vai permitir maximizar o gradiente de temperatura, o que vai proporcionar um aumento na taxa de calor trocado.
Figura 3.3 – Convecção Forçada (Fonte: [11])
3. Radiação
A radiação é a energia térmica emitida pelos corpos na forma de ondas electromagnéticas. Todos os corpos que possuam uma temperatura acima do zero absoluto (0 ºK) emitem energia
térmica. Dado que estas ondas viajam através do vácuo, não é necessário qualquer tipo de meio para se dar a transferência de calor através da radiação. Um claro exemplo da radiação é a energia térmica proveniente do sol, a qual atinge a Terra através da radiação. A energia radiante emitida por um corpo é depois parte dela absorvida por uma superfície opaca e reflectida a restante.
A radiação é um mecanismo de transmissão de calor que tem base na transferência de energia por ondas electromagnéticas. A taxa máxima de radiação que é possível emitir por uma superfície é calculada pela Equação 3.3:
Equação 3.3 ) ( 4 4 max ATS Te Q = × − • σ
σ – constante de Stefan-Boltzmann de valor 5,67x10-8 W/m2K4; A – área da superfície [m2];
Ts – temperatura da superfície;
Te – temperatura ambiente.
3.2.2 Parâmetros de Caracterização Térmica
O coeficiente de transmissão térmica superficial (U), é a quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma superfície de área unitária desse elemento da envolvente por unidade de diferença de temperatura entre os ambientes que ele separa, e o seu método de cálculo é definido no anexo VII do RCCTE, sendo o resultado da Equação 3.4:
Equação 3.4
∑
+ + = SE j j SI R R R U 1 ondeRSI, RSE – resistências térmicas superficiais interior e exterior, respectivamente [m2.ºC/W]§§;
O cálculo do valor U de um elemento da envolvente depende de vários factores, nomeadamente, se é um elemento construído por camadas homogéneas ou heterogéneas, se inclui ou não a presença de espaços de ar e do grau de ventilação desses espaços de ar.
Para o cálculo dos valores de U dos elementos opacos da envolvente devem utilizar-se os métodos preconizados nas normas europeias EN ISO 6946 e EN ISO 13789.
Estão definidos no anexo VII os limites máximos admissíveis para os coeficientes de transmissão térmica (U).
A publicação do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), Coeficientes de
Transmissão Térmica de Elementos da Envolvente dos Edifícios (comummente denominada
por ITE 50), apresenta os valores da condutividade térmica dos materiais correntes de construção e das resistências térmicas das camadas não homogéneas mais utilizadas. No ITE 50 indicam-se ainda os valores do coeficiente de transmissão térmica, U, das soluções mais comuns em Portugal de paredes, pavimentos, coberturas e envidraçados de edifícios.
De acordo com o RCCTE, quando exista um espaço não-útil (não climatizado) a separar um espaço aquecido interior do ambiente exterior, o cálculo das trocas térmicas reporta-se obrigatoriamente ao elemento construtivo que separa os espaços útil e não-útil. A contabilização do coeficiente de transmissão térmica, nestes casos, é efectuada segundo o mesmo procedimento apresentado anteriormente (Equação 3.4), com a particularidade de se considerar as resistências superficiais exteriores iguais aos interiores (RSE = RSI) pelo que na
equação são introduzidas duas resistências superficiais interiores em vez de uma resistência interior e outra exterior.
A temperatura dos espaços não-aquecidos, θa, apresenta um valor intermédio entre as temperaturas interior (θi) e exterior (θatm), que pode ser representado pela Equação 3.5:
Equação 3.5 – Temperatura do local não aquecido
§§ Os valores das resistências térmicas superficiais em função da posição do elemento construtivo e do sentido do
) ( ) 1 ( i atm atm a θ τ θ θ θ = + − × −
onde o valor de τ é dado por:
Equação 3.6 – Cálculo do τ atm i a i θ θ θ θ τ − − =
Devido a esta variação de temperatura, as perdas térmicas através dos elementos da envolvente interior e dos principais espaços não-aquecidos (nomeadamente, circulações comuns, espaços comerciais, armazéns, garagens, varandas e marquises fechadas, desvão não- habitados sob coberturas inclinadas), são afectadas pelo coeficiente τ, o qual está definido na
Tabela IV.1 do RCCTE. Os valores de τ apresentados na tabela (ver Anexo III) dependem de
dois factores preponderantes:
• a relação Ai/Au entre as áreas do elemento que separa o espaço útil interior do espaço não-útil (Ai) e do elemento que separa o espaço não-útil do ambiente exterior (Au);
• o grau de renovação de ar do local não-útil (espaço não-aquecido).