OS AUTORES

YUNUS EMRE CETIN, Hermann-Rietschel-Institute, Technische Universität Berlin, Germany y.cetin@tu-berlin.de

MARTIN KRIEGEL, Hermann-Rietschel-Institute, Technische Universität Berlin, Germany

DONGYU S. WANG, Siemens Schweiz AG, 6300 Zug, Switzerland

MARTIN TACKENBERG, Siemens Schweiz AG, 6300 Zug, Switzerland

REHVA Journal 01/25

INTRODUÇÃO

Os indivíduos passam a maior parte do seu tempo em ambientes interiores, onde uma má qualidade do ar interior (QAI) afeta significativamente a saúde, o bem-estar e a produtividade [1,2]. A pandemia de COVID-19 destacou a importância da ventilação não apenas para o conforto, mas também para a QAI, o controlo de infeções e a saúde geral dos ocupantes, sublinhando a necessidade de abordagens integradas para lidar com a saúde, a segurança e a sustentabilidade [3]. Com os edifícios a representarem 40 % do consumo final de energia na Europa [4], há uma pressão crescente para a descarbonização. No entanto, medidas de eficiência energética, como a redução da entrada de ar exterior ou o reforço da estanquidade da envolvente dos edifícios, podem conduzir a uma ventilação insuficiente e, com isso, afetar negativamente a QAI.

Garantir uma ventilação adequada demonstrou melhorar o desempenho cognitivo, reduzir o absentismo e aumentar a satisfação dos ocupantes [5], evidenciando as amplas vantagens de uma gestão eficaz da QAI. Além disso, investimentos estratégicos em sistemas de ventilação podem proporcionar benefícios significativos para a saúde, ao mesmo tempo que geram poupanças energéticas e aumentam os ganhos de produtividade [6,7]. Apesar destes benefícios, tais melhorias frequentemente envolvem custos consideráveis, exigindo uma avaliação cuidadosa da sua viabilidade económica.

Este estudo analisa a importância multifacetada da QAI e os seus impactos nos ocupantes dos edifícios, conforme documentado na literatura científica. Especificamente, examina a relação entre QAI, ventilação e consumo energético, destacando os efeitos adversos de uma má QAI e os benefícios de uma ventilação eficaz. Além disso, foca-se em estudos que abordam a relação custo-benefício da gestão da QAI e das estratégias de ventilação, fornecendo uma perspetiva abrangente sobre a sua viabilidade e impacto.

IMPLICAÇÕES DE UMA QUALIDADE DO AR INTERIOR INADEQUADA

Certos poluentes interiores são conhecidos por representar riscos para a saúde: por exemplo, o formaldeído e os compostos aromáticos como o benzeno são frequentemente detetados em muitos edifícios [8]. O formaldeído, muitas vezes emitido por materiais de construção, pode atingir concentrações significativamente mais elevadas em interiores do que em exteriores, especialmente após novas construções ou renovações. A exposição aguda pode causar irritação nos olhos, nariz e garganta, desencadear sintomas respiratórios e agravar a asma [9]. De forma semelhante, o ozono, proveniente de fontes interiores e exteriores, pode irritar os tecidos respiratórios, reforçando a importância do controlo de poluentes.

A ventilação inadequada agrava estas questões, permitindo a acumulação de poluentes e aumentando o risco de transmissão de doenças pelo ar [10,11]. Uma ventilação deficiente resulta frequentemente em níveis elevados de CO2 – emitido pelos ocupantes – que estão associados a dores de cabeça, fadiga e redução do desempenho cognitivo [12]. Uma má QAI e ventilação também estão associadas à chamada “síndrome do edifício doente” (SED), caracterizada por sintomas como dores de cabeça e desconforto respiratório, que muitas vezes desaparecem quando os indivíduos saem do edifício [13].

As consequências de uma QAI deficiente vão além da saúde, afetando significativamente a produtividade através do absentismo e do presentismo – ou seja, a redução da eficiência no local de trabalho devido ao desconforto e à doença [14]. Condições respiratórias leves, como a sinusite, a asma e a rinite alérgica, estão associadas a um aumento das baixas por doença [15]. Estes efeitos são particularmente evidentes em ambientes como escritórios e escolas, onde os ocupantes passam longos períodos em espaços fechados e onde a qualidade da ventilação afeta diretamente tanto os resultados de saúde como o desempenho geral. Melhorar a qualidade do ar nestes ambientes demonstrou ser uma estratégia eficaz para mitigar estes problemas, promovendo melhores resultados de saúde e um desempenho global mais eficiente, como será discutido a seguir.

ESCRITÓRIOS

Uma vasta literatura relata que a melhoria da qualidade do ar interior através de uma ventilação adequada pode melhorar significativamente o bem-estar e a produtividade dos ocupantes em ambientes de escritório.

Caudais de ventilação de até 20 litros por segundo (L/s) por pessoa demonstraram mitigar os sintomas da Síndrome do Edifício Doente (SED) [16]. Uma meta-análise revelou que caudais de ventilação mais baixos (2,5 L/s por pessoa) estavam associados a um aumento dos efeitos adversos na saúde e a uma queda significativa na produtividade em comparação com caudais de ventilação mais elevados (30 L/s por pessoa) [17].

Com base nesta premissa, Wargocki e Wyon [18] investigaram os efeitos de diferentes caudais de ventilação (3, 10 e 30 L/s por pessoa) na perceção da qualidade do ar, nos sintomas da SED e na produtividade. Os seus resultados demonstram uma relação linear entre caudais de ventilação mais elevados e uma menor insatisfação com a qualidade do ar, menos sintomas de secura na boca e garganta e uma maior clareza cognitiva. Notavelmente, o desempenho em tarefas de escritório melhorou 1,7 % a cada duplicação do caudal de ar, evidenciando os benefícios concretos de uma ventilação reforçada.

Estudos semelhantes confirmam a ligação entre o aumento da ventilação de ar exterior e a melhoria da produtividade e do desempenho cognitivo. Por exemplo, foram reportadas melhorias cognitivas de até 101 % quando o caudal de ar exterior foi duplicado [19]. Além disso, registou-se um aumento de 26,4 % na função cognitiva entre ocupantes de edifícios certificados LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) em comparação com edifícios não certificados [20]. Os ganhos de desempenho devido ao aumento da ventilação são mais significativos no intervalo de 6 a 10 L/s por pessoa e diminuem consideravelmente quando o caudal de ventilação ultrapassa 45 L/s por pessoa [21].

Níveis elevados de CO2 no interior, indicativos de ventilação inadequada, estão associados à redução do desempenho no trabalho e ao aumento de sintomas de saúde [22,23]. Concentrações moderadas de CO2(~1000 ppm em comparação com ~600 ppm) comprometem significativamente o desempenho na tomada de decisões, com declínios ainda mais acentuados observados acima de 2500 ppm. Além disso, a exposição a ambientes interiores húmidos está ligada a doenças respiratórias e infeções. Intervenções direcionadas para a humidade e o bolor não só melhoraram o desempenho, como também reduziram os sintomas relatados pelos ocupantes e o absentismo [24,25]. Estima-se que medidas de melhoria da qualidade do ar interior – incluindo ventilação, filtragem e controlo da humidade – possam reduzir as baixas por doenças infeciosas entre 9 e 20 % [26].

ESCOLAS

Numerosos estudos destacam a maior suscetibilidade das crianças aos poluentes ambientais, influenciada por fatores fisiológicos e comportamentais. Em comparação com os adultos, as crianças respiram mais ar em relação ao seu peso corporal, e os seus tecidos e órgãos em desenvolvimento são particularmente vulneráveis a danos [27]. Dado que as crianças passam uma parte significativa do seu dia nas escolas, a manutenção de uma elevada qualidade do ambiente interior nestes espaços é crucial.

No entanto, a qualidade do ar interior em salas de aula é frequentemente inferior à de outros ambientes interiores, como habitações ou escritórios, principalmente devido à maior densidade de ocupação e duração da permanência. Numerosos estudos relataram os efeitos adversos de uma ventilação inadequada e de níveis elevados de contaminantes na saúde e no desempenho académico em ambientes escolares [28–31]. Por exemplo, estimou-se que o aumento das taxas de ventilação para 15 L/s por pessoa em escolas primárias pode reduzir as faltas por doença entre 11 e 17 % [32]. Foi documentada uma relação significativa entre a taxa de ventilação nas salas de aula e o desempenho académico, sendo que uma maior renovação de ar exterior melhora o desempenho cognitivo: tempos de execução de tarefas mais rápidos em crianças de 10 a 12 anos [18] e melhores resultados em testes de matemática [33] ilustram os benefícios concretos de uma ventilação adequada.

O aumento das taxas de ventilação de ar exterior de 12 para 24 L/s por pessoa resultou numa poupança líquida anual de 400 dólares por colaborador, compensando os custos de ventilação [25]. De forma semelhante, os benefícios anuais provenientes da melhoria da QAI frequentemente superam os custos energéticos e de manutenção em 10 vezes, com períodos de retorno inferiores a quatro meses [37].

Além disso, é particularmente importante manter os níveis de CO2 interiores abaixo de 1000 ppm. Vários estudos associam concentrações mais baixas de CO2 a tempos de resposta mais rápidos, maior precisão e melhor assiduidade entre alunos do ensino primário [34–36]. Estas conclusões enfatizam o papel crítico de uma qualidade do ar interior superior na promoção da saúde e do sucesso académico.

De um modo geral, as evidências sustentam fortemente que uma melhor qualidade do ar interior proporciona benefícios tanto tangíveis, como o aumento do desempenho e a redução do absentismo, como intangíveis, incluindo maior bem-estar e conforto. Isto levanta uma questão fundamental: quais são os custos para alcançar melhorias na qualidade do ar interior e como se comparam com os benefícios?

CUSTO-BENEFÍCIO

O retorno do investimento em melhorias da qualidade do ar interior (QAI) abrange tanto benefícios diretos como indiretos. A melhoria da QAI contribui para o aumento do valor dos imóveis, a redução das despesas com saúde e a melhoria da produtividade da força de trabalho, tornando-se um elemento crítico nas estratégias de gestão de edifícios. Vários estudos demonstram consistentemente que os benefícios económicos de uma QAI superior superam amplamente os custos associados. Por exemplo, o aumento das taxas de ventilação de ar exterior de 12 para 24 L/s por pessoa resultou numa poupança líquida anual de 400 dólares por colaborador, compensando os custos de ventilação [25]. De forma semelhante, os benefícios anuais provenientes da melhoria da QAI frequentemente superam os custos energéticos e de manutenção em 10 vezes, com períodos de retorno inferiores a quatro meses [37].

As melhorias na QAI contribuem para vantagens operacionais e financeiras mais amplas, especialmente quando a produtividade e os salários dos colaboradores são considerados. Por exemplo, aumentar a ventilação para além dos valores recomendados acrescentou menos de 40 dólares anuais em custos energéticos por pessoa, ao mesmo tempo que aumentou a produtividade em 8%, o que equivale a 6500 dólares por trabalhador de escritório e 15 500 dólares por gestor [42].

Um estudo realizado para edifícios de escritórios nos Estados Unidos da América (EUA) estimou que ambientes melhorados poderiam gerar benefícios económicos anuais entre 5 e 75 mil milhões de dólares, principalmente devido à melhoria da saúde [38]. Além disso, o aumento das taxas mínimas de ventilação acima de 8 L/s por pessoa poderia gerar benefícios económicos entre 13 mil milhões e 38 mil milhões de dólares nos edifícios de escritórios dos EUA, superando amplamente os custos energéticos [39]. Além disso, estudos de simulação sugerem que as melhorias na QAI podem proporcionar benefícios até 60 vezes superiores aos seus custos, com períodos de retorno médios de dois anos [40]. Por fim, estudos de casos práticos mostraram que duplicar a taxa de renovação de ar exterior reduziu as baixas por doença em 10 % e melhorou a produtividade em 1,5 %, demonstrando como pequenas alterações podem gerar benefícios significativos [41].

Para além destas constatações, as melhorias na QAI contribuem para vantagens operacionais e financeiras mais amplas, especialmente quando a produtividade e os salários dos colaboradores são considerados. Por exemplo, aumentar a ventilação para além dos valores recomendados acrescentou menos de 40 dólares anuais em custos energéticos por pessoa, ao mesmo tempo que aumentou a produtividade em 8 %, o que equivale a 6500 dólares por trabalhador de escritório e 15 500 dólares por gestor [42]. Estes resultados enfatizam a eficiência dos investimentos em QAI, onde custos operacionais mínimos resultam em retornos substanciais. Além disso, há estudos que mostram que os inquilinos estão dispostos a pagar prémios por uma QAI melhorada [43,44] e que edifícios certificados frequentemente apresentam valores de mercado mais elevados [44,45].

Apesar destes benefícios convincentes, a indústria da construção enfrenta desafios significativos na priorização dos investimentos em QAI. As principais barreiras incluem conceções erradas sobre o retorno do investimento e a insuficiência de análises financeiras durante as fases de conceção e operação [46]. Embora tenha havido um foco crescente na monitorização da QAI nas recentes diretrizes da Diretiva de Desempenho Energético dos Edifícios (EPBD) [4], a pressão regulamentar, em geral, continua limitada. Além disso, os benefícios para a saúde e a produtividade são frequentemente excluídos das avaliações tradicionais de custos, prejudicando o seu valor percebido. Por fim, embora os benefícios de um maior conforto, saúde e produtividade sejam significativos, a medição e a comparação abrangentes continuam limitadas devido à falta de métricas bem definidas e amplamente aceites.

CONCLUSÃO

Esta revisão destaca o papel fundamental da qualidade do ar interior (QAI) na promoção da saúde, no aumento da produtividade e no reforço do desempenho económico. Uma QAI inadequada, frequentemente resultante de uma ventilação insuficiente, afeta negativamente a função cognitiva, agrava problemas de saúde, aumenta o absentismo e impõe custos económicos significativos. Por outro lado, melhorias na QAI estão associadas a um melhor desempenho nas tarefas, melhores resultados de saúde, redução das ausências por doença e poupanças económicas mensuráveis.

Os resultados sugerem que as melhorias na QAI podem representar uma estratégia altamente rentável, com benefícios económicos que podem superar os custos em até 60 vezes. Além disso, o período de retorno do investimento em melhorias da QAI é frequentemente inferior a dois anos, dependendo das circunstâncias específicas. O reforço dos quadros regulamentares poderia impulsionar a adoção generalizada destas medidas, garantindo a sua implementação de forma consistente e eficaz, em vez de depender exclusivamente de ações voluntárias. Tais medidas proporcionariam benefícios substanciais, não apenas aos ocupantes individuais dos edifícios, mas também à sociedade como um todo, contribuindo para ambientes mais saudáveis, produtivos e economicamente sustentáveis.

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Fotografia de destaque: © Shutterstock

O conteúdo QAI: Saúde, produtividade e benefícios económicos aparece primeiro em Edificios e Energia.

*Artigo cedido pelo REHVA Journal de Junho

Autores do artigo:

Bjarne Wilkens Olesen, Professor emeritus, International Centre for Indoor Environment and Energy, Department of Environmental and Resource Engineering, Technical University of Denmark (DTU), bwol@dtu.dk

A Normalização na Qualidade do Ar Interior (QAI) está principalmente focada nos requisitos de saúde e nos requisitos para a ventilação. Os requisitos de saúde estão estabelecidos pela OMS e são muitas vezes referenciados nas normas de QAI. Atualmente, a norma europeia mais importante para a QAI é a EN 16798- 1/2. Esta norma foi desenvolvida na comissão técnica do CEN – TC156 e encontra-se agora em revisão. Uma norma semelhante, a ISO 17772-1/2 foi desenvolvida em paralelo pela ISO. A norma também inclui requisitos para conforto térmico, acústico e iluminação. O presente artigo concentrar-se-á nas partes que lidam com a QAI. Há centenas de substâncias no ar interior que podem influenciar a saúde dos ocupantes e a perceção da qualidade do ar, por isso, as normas geralmente prescrevem um determinado caudal de ar novo como critério para a QAI. O artigo explicará o uso da norma e dará exemplos de critérios, usando caudais de ar novo prescritos e critérios para substâncias individuais.

Palavras-chave: Qualidade do Ar Interior (QAI), Ventilação (ar novo), Normas

INTRODUÇÃO

A primeira norma internacional que lidava com todos os parâmetros do ambiente interior (conforto térmico, qualidade do ar, iluminação e acústica) foi publicada em 2007 – a norma EN 15251. Esta norma prescreve parâmetros de entrada para a conceção e avaliação do desempenho energético dos edifícios e fazia parte do conjunto de normas desenvolvidas para apoiar a implementação da Diretiva sobre o Desempenho Energético dos Edifícios, EPBD (Energy Performance of Buildings Directive). Esta norma foi revista e publicada como EN 16789-1. Além da norma, foi desenvolvido para a apoiar e explicar com mais detalhe um Relatório Técnico – TR 16789-2:2017.

PARTE DA QUALIDADE DO AR INTERIOR CONTIDA NA EN 16798-1/2

A norma é escrita em linguagem normativa, com texto informativo incluído no relatório técnico. A norma inclui critérios padrão em 3-4 categorias (Quadro 1) para os parâmetros do ambiente interior, conforme descrito neste artigo. No entanto, encontra-se numa série de quadros no anexo informativo B. Cada país pode decidir se deseja utilizar esses valores padrão, usar apenas uma categoria ou usar valores bastante diferentes, que serão incluídos num anexo nacional normativo A com uma estrutura semelhante ao anexo B.

É importante enfatizar que os requisitos e critérios padrão são baseados na influência sobre os ocupantes e a norma não define critérios diretos dependendo do tipo de sistema (mecânico ou não mecânico) utilizado para condicionar o espaço.

O draft do relatório técnico TR 16789-2 inclui orientações para a norma nas seções semelhantes. Este relatório inclui também algumas secções e anexos adicionais com conceitos mais voluntários. Paralelamente, dois documentos semelhantes, ISO 17772 e ISO-TR17772, foram publicados como documentos quase idênticos.

Os requisitos para a qualidade do ar interior são expressos principalmente em termos de caudal mínimo de ar novo. Os requisitos gerais para o projetista em relação à qualidade do ar interior são os mesmos para edifícios residenciais e não residenciais. Os parâmetros de conceção para a qualidade do ar interior devem ser derivados utilizando um ou mais dos seguintes métodos:

• Método baseado na qualidade percebida do ar;

• Método utilizando critérios para concentração de poluentes;

• Método baseado em caudais de ar novo pré-definidos.

Dentro de cada método, o projetista deve escolher entre diferentes categorias de qualidade do ar interior e definir qual a categoria de edifício que será usada. O método utilizado deve ser documentado e deve ser explicado porque é que o método selecionado é adequado.

MÉTODO BASEADO NA QUALIDADE PERCEBIDA DO AR

O caudal total de ar novo na zona de respiração é encontrado combinando a ventilação para pessoas e edifício, calculada pela seguinte fórmula.

 (1)

Onde:

qtot é o caudal total de ar novo na zona de respiração, l/s;

n é o valor de projeto para o número de pessoas na sala;

qp é o caudal de ar novo por ocupante, l/s/pessoa;

AR é a área do piso, m²;

qB é o caudal de ar novo para emissões do edifício, l/s/m²).

Os quadros básicos com os valores padrão são os Quadros 2 e 3. Os níveis de qualidade percebida do ar são definidos para pessoas não adaptadas. Se em casos especiais o projeto incluir pessoas adaptadas (ver TR 16789-2).

Um edifício é, por norma, considerado pouco poluente, a menos que atividades anteriores tenham resultado na poluição do edifício (por exemplo, fumo). Neste caso, o edifício deve ser considerado não pouco poluente. A categoria muito pouco poluente requer que a maioria dos materiais de construção utilizados para acabamento das superfícies interiores atenda aos critérios nacionais ou internacionais de materiais muito pouco poluentes.

O relatório técnico mostrará quadros com valores padronizados baseados nos dois quadros acima e uma densidade assumida de ocupação. Um exemplo é dado aqui no Quadro 4.

MÉTODO USANDO CRITÉRIOS PARA CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES

O caudal de ar novo necessário para diluir um poluente deve ser calculado pela seguinte equação:
 (2)

Onde:

Qh é o caudal de ar novo necessário para diluição, em litros por segundo;

Gh é a carga de poluição de um poluente, em microgramas por segundo;

Ch,i é o valor orientador de um poluente, ver Anexo B6, em microgramas por m³;

Ch,o é a concentração de poluentes na entrada de ar, em microgramas por m³;

εv é a eficácia da ventilação, 1.

NOTA. Ch,i e Ch,o podem também ser expressos como ppm (vol/vol). Neste caso, a carga de poluição Gh deve ser expressa em l/s. Para calcular o caudal de ar novo de projeto a partir da Eq. (2), o poluente (ou grupo de poluentes) mais crítico ou relevante deve ser identificado e a carga de poluição no espaço deve ser estimada. Quando este método é usado, é necessário que o CO2 seja utilizado como gás traçador para a emissão proveniente das pessoas (bio efluentes).

MÉTODO BASEADO EM CAUDAIS DE AR NOVO PRÉ-DEFINIDOS

Este é um método para determinar certos caudais mínimos de ar novo pré-definidos estimados para atender aos requisitos, tanto de qualidade percebida do ar, quanto de saúde na zona ocupada.

CAUDAIS DE AR NOVO DE PROJETO PARA EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS

Os caudais de ar novo pré-definidos podem ser estabelecidos a nível nacional com base em um ou mais dos seguintes critérios: taxa total de renovação do ar para a habitação, caudais de ar novo para divisões específicas, caudais de ar de exaustão de divisões específicas. Num anexo da norma, são apresentados os valores padrão para os três critérios (ver Quadro 6). Pressupõe-se que o ar seja fornecido às salas de estar e extraído das zonas húmidas. Tanto o caudal total de ar novo para toda a habitação quanto o caudal de ar de exaustão das zonas húmidas devem ser calculadas. O maior dos dois valores deve ser utilizado. No relatório técnico, são apresentados vários exemplos de caudais de ar novo em edifícios residenciais.

A norma também descreve conceitos para edifícios com ventilação natural, nos quais os critérios baseados no CO2 podem ser utilizados. Num anexo, é apresentada uma metodologia para definir áreas padrão de abertura para sistemas de ventilação natural em habitações (ver Quadro 7). As áreas de abertura devem ser providenciadas na forma de grelhas de insuflação/extração, condutas de tiragem, grelhas de janelas ou sistemas similares.

FILTRAGEM E PURIFICAÇÃO DO AR

A norma também estabelece alguns requisitos sobre o uso de filtragem e purificação do ar. A influência da posição das entradas de ar exterior, da filtragem e da purificação do ar deve ser considerada de acordo com o projeto de norma prEN 16789-3 (revisão da EN 13779) e o draft do relatório técnico TR 16789-2. Se forem utilizados sistemas de filtragem e purificação do ar, devem ser considerados os seguintes pontos:

• Redução da quantidade de poluentes transportados pelo ar (pólenes, fungos, esporos, partículas, poeiras) provenientes da entrada de ar exterior, através da passagem do ar por um filtro.

• Circulação do ar secundário através de um filtro ou outra tecnologia de purificação do ar para reduzir a quantidade de poluentes no ar.

• Redução da concentração de odores e contaminantes gasosos através da circulação do ar secundário ou recirculação do ar de retorno (purificação do ar na fase gasosa).

As diretrizes de projeto para purificação e filtragem do ar são apresentadas nas normas EN 16789-3 e ISO DIS 16814. A substituição parcial do ar exterior por sistemas de purificação do ar é descrita no draft do relatório técnico TR16789-2.

CONCLUSÃO

A norma apresenta valores para o projeto de sistemas de ventilação mecânica com base em caudais de ar novo recomendados. Para sistemas de ventilação natural, o projeto pode ser baseado nos níveis recomendados de CO2.

Há necessidade de atualizar a norma. No método 2, há apenas uma referência aos critérios da OMS para substâncias individuais, sendo que outros índices ou substâncias poderiam ser considerados. Um dos poluentes mais críticos, as partículas, não é abordado na norma.
Por fim, o uso de purificação do ar precisa ser ampliado e incorporado como parte normativa.

Bibliografia

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CEN/TR 16798-2:2019, Guideline for Using Indoor Environmental Input Parameters for the Design and Assessment of Energy Performance of Buildings, Draft for Working Group Red, CEN, 2019.

ISO 17772-1:2017. Energy performance of buildings – Indoor environmental Quality – part 1: Indoor environmental input parameters for the design and assessment of energy performance of buildings. ISO 2017.

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Fotografia de destaque: © Shutterstock

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*Artigo cedido pelo REHVA Journal de Abril

Autores do artigo:

Gökçe Tomrukçu, Faculdade de Arquitectura e Design, Departamento de Arquitectura, Universidade Ozyegin, Istambul, Turquia

Touraj Ashrafian, Faculdade de Engenharia e Meio Ambiente, Departamento de Arquitectura e Ambiente Construído, Universidade de Northumbria, Newcastle upon Tyne, Reino Unido

O clima mudou naturalmente ao longo da história. No entanto, particularmente desde a Revolução Industrial, as actividades humanas têm influenciado cada vez mais essa mudança lado a lado com os processos naturais [1]. Durante este período, quantidades significativas de gases com efeito de estufa foram libertados para a atmosfera, principalmente devido à utilização de combustíveis fósseis para aquecimento, arrefecimento de edifícios e produção de outras fontes de energia. Os principais gases antropogénicos com efeito de estufa incluem o dióxido de carbono (CO2), o metano (CH2), o protóxido de azoto (N2O), o ozono (O3) e os gases fluorados. A acumulação destes gases intensificou o efeito de estufa natural, contribuindo para um aumento da temperatura da superfície da Terra, exacerbada pela urbanização.

No Quinto Relatório de Avaliação, o IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas) classificou os cenários futuros pela sua gravidade. O RCP 2.6 representa um cenário de mitigação caracterizado por esforços significativos de redução de emissões, enquanto o RCP 8.5 retrata um cenário extremo, com altas emissões e esforços mínimos de mitigação, resultando no rápido aquecimento e em impactes severos das alterações climáticas. O recém-lançado Sexto Relatório de Avaliação refinou estes cenários, integrando factores socioeconómicos, agora referidos como SSP 1-1,9 (emissões mais baixas) e SSP 5-8,5 (emissões mais altas) [2].

De acordo com estes cenários climáticos, prevê-se que, em média, haverá um aumento crítico da temperatura nos próximos 20 anos se não forem tomadas as precauções adequadas [1]. A Agência Internacional de Energia (AIE) relata que o sector da construção é um dos principais contribuintes para o consumo global de energia, 40 % do total e 30 % das emissões dos gases com efeito de estufa [3]. Consequentemente, as alterações climáticas previstas irão ter certamente impacto nos sistemas de ar condicionado dos edifícios.

2. MÉTODOS

Este estudo investiga e analisa o impacte negativo das alterações climáticas nos sistemas de AVAC, com o objectivo de sensibilizar para esta questão crítica. As alterações climáticas, um problema global desta era, irão afectar negativamente todos os sistemas em graus variados se não forem tomadas precauções. Inicialmente, o estudo descreve os efeitos negativos das alterações climáticas nos sistemas de AVAC, examinando como as mudanças futuras de temperatura e eventos climáticos extremos impactam significativamente os sistemas dos edifícios. Isto leva a um aumento da confiança no ar condicionado para manter o conforto térmico. Nesta fase, o estudo identifica problemas críticos que podem surgir, incluindo sobrecargas dos sistemas, aumento do consumo de energia e custos operacionais mais altos.

Posteriormente, o estudo avalia potenciais soluções e apresenta alternativas para dar resposta aos desafios, fornecendo exemplos comparativos para ilustrar a eficácia das diferentes estratégias. Estas alternativas incluem a optimização do projecto dos sistemas de AVAC, o aumento da eficiência energética, incorporando fontes de energia renováveis, e a implementação de tecnologias inteligentes para monitoração em tempo real e controlo adaptativo. Ao destacar os desafios e as estratégias potenciais, este estudo visa fornecer uma compreensão abrangente das questões. Enfatiza a necessidade de medidas proactivas para mitigar os efeitos adversos das alterações climáticas nos sistemas de AVAC, incentivando as partes interessadas a adoptar essas estratégias para garantir o funcionamento sustentável e eficiente dos edifícios.

3. TENDÊNCIA DAS NECESSIDADES DE AQUECIMENTO

Uma das consequências mais marcantes das alterações climáticas é o aumento constante das temperaturas globais. Com o aumento das temperaturas, espera-se que as necessidades de aquecimento diminuam significativamente. Esta mudança terá um impacto directo nas capacidades térmicas e nas taxas de utilização dos sistemas de AVAC dos edifícios, levando a requisitos de aquecimento reduzidos e alterando os padrões de funcionamento para esses sistemas. Numerosos estudos foram realizados para entender e quantificar esses efeitos.

Para investigar os efeitos das alterações climáticas na procura de energia de aquecimento e arrefecimento de edifícios no Canadá, foram criados futuros arquivos meteorológicos usando métodos estatísticos e dinâmicos de downscaling. Os resultados revelam que se prevê que os Heating Degree Days (HDD) (Graus-dia de Aquecimento) diminuam 30 % em Toronto até 2070. Esta redução significativa dos HDD indica invernos mais amenos, conduzindo a uma diminuição correspondente da intensidade de utilização de energia de aquecimento. Consequentemente, prevê-se que esta intensidade diminua entre 18 % e 33 %, dependendo da tipologia de edifício e da baseline dos dados climáticos utilizados. Esta redução da procura de aquecimento sublinha a necessidade de adaptar os projectos dos edifícios e sistemas de AVAC às alterações climáticas, garantindo a eficiência energética e a resiliência dos edifícios futuros [4].

Outro estudo utilizou o cenário A2 (IPCC) para investigar o impacto na procura de energia de aquecimento e arrefecimento em edifícios residenciais no Brasil. Os resultados mostraram um aumento constante no consumo de energia por mais de 60 anos. Em contrapartida, o consumo de energia para aquecimento para superar as horas de frio será significativamente reduzido nas cidades de Curitiba e Florianópolis. Também foi comprovado que, em cidades frias, a procura de energia para o aquecimento anual diminuirá 94 % até 2080 devido ao aumento das temperaturas médias e aumento da radiação solar global [5].

Num estudo realizado na China, investigaram o impacto de cenários climáticos futuros no consumo de energia em edifícios de escritórios. Os resultados indicaram uma redução no consumo de aquecimento em 22,3 % em Harbin, 26,6 % em Pequim, 55,7 % em Xangai, 13,8 % em Kunming e 23,6 % em Hong Kong. Observou-se que o aquecimento ambiente é predominantemente obtido a partir de caldeiras a gasóleo ou gás, enquanto o arrefecimento do ambiente depende principalmente de electricidade. Isto destaca uma mudança em direcção ao aumento da procura da energia eléctrica. O estudo também enfatizou que o maior consumo de energia em edifícios conduzirá a um aumento das emissões, agravando assim as alterações climáticas e o aquecimento global [6].

Num outro estudo, a Grécia foi avaliada após serem estimados os dados do modelo climático, tendo em conta as previsões das alterações climáticas para o período 2010-2100. Os resultados evidenciaram que a procura de energia para aquecimento do sector da construção na Grécia poderia ser reduzida em cerca de 50 % com este efeito, sendo mais pronunciado na parte sul do país [7]. Outro estudo avaliou as necessidades de energia de uma casa isolada típica na Finlândia. De acordo com os resultados obtidos, verificou-se que a procura anual de energia para aquecimento do ambiente e fornecimento de ar diminuirá entre 20 a 40 % até 2100 [8].

Outro estudo focou-se na investigação dos impactes das alterações climáticas nos edifícios residenciais em Istambul e Izmir, Turquia. Os resultados revelam uma redução nos graus-dia de aquecimento juntamente com um aumento nos graus-dia de arrefecimento. Especificamente, simulações no âmbito do cenário RCP 8.5 projectam um aumento de temperatura de 4,3 °C em Istambul e 5 °C em Izmir. Consequentemente, o estudo sublinha uma diminuição notável no consumo de aquecimento, particularmente pronunciado em Izmir em comparação com Istambul [9].

Os resultados de todos estes estudos sublinham a influência substancial das alterações climáticas nos padrões de consumo de aquecimento em diversas regiões do mundo, afectando directamente os sistemas de AVAC e construindo estratégias de gestão de energia. Com o aumento global da temperatura, há uma diminuição acentuada nas necessidades de aquecimento observada em várias áreas geográficas, resultando em reduções dos graus-dia e consequentes mudanças na dinâmica operacional dos sistemas de AVAC. Tais transformações exigem adaptações estratégicas nas tecnologias dos sistemas de AVAC e práticas de arquitectura no sentido de optimizar a eficiência energética e aumentar a resiliência geral dos edifícios face à evolução das condições climáticas.

Além disso, as consequências negativas das alterações climáticas não se limitam ao aumento das temperaturas. O Quinto Relatório de Avaliação do IPCC destaca um aumento antecipado na frequência e gravidade de eventos climáticos extremos. Estas mudanças afectam directamente os sistemas de AVAC, levando a interrupções operacionais e danos às unidades de ar condicionado. Por exemplo, as projecções sugerem que serão necessários sistemas de AVAC mais robustos para controlar a elevada humidade e o aumento da transferência de calor do ar exterior durante os verões mais quentes, exacerbados pelas elevadas temperaturas de bulbo húmido e bulbo seco do ar exterior [10]. Estas descobertas salientam o imperativo de implementar medidas adicionais para mitigar a vulnerabilidade dos sistemas de AVAC aos eventos climáticos extremos.

3.1 ILHA DE CALOR URBANA

Espera-se que os aumentos de temperatura devido às alterações climáticas sejam particularmente pronunciados nas áreas urbanas, em grande parte devido ao efeito de ilha de calor. Este efeito ocorre quando a temperatura média do ar numa cidade é maior do que nas áreas rurais vizinhas. Para as pessoas que vivem em climas quentes, isto pode resultar em temperaturas que excedam o limite para se viver confortavelmente em determinadas épocas do ano. Prevê-se que 75 % da população mundial estará em risco de exposição ao calor potencialmente letal na forma de ondas de calor, particularmente em áreas urbanas [11]. Consequentemente, as necessidades de arrefecimento das cidades devem aumentar significativamente para manter o conforto térmico. As actuais projecções da procura de energia indicam um aumento substancial a curto prazo da utilização de ar condicionado (AC).

É crucial adoptar práticas sustentáveis dos sistemas de AVAC, melhorar a eficiência energética e implementar tecnologias inovadoras de arrefecimento. Isto inclui a integração de estratégias de arrefecimento passivo, o desenvolvimento de tecnologias de redes inteligentes e a utilização de fontes de energias renováveis para fins de arrefecimento.

Um estudo realizado no centro de Paris descobriu que, em condições climáticas futuras, as temperaturas urbanas podem ser significativamente maiores do que nas áreas rurais devido ao efeito de ilha de calor. Outro estudo prevê que o consumo de energia do AC em França duplicará. [12]. Além disso, os aparelhos de AC exacerbam directamente o efeito de ilha de calor urbana. Liu et al. descobriram que, num conjunto típico de edifícios de escritórios, os sistemas de AC podem aumentar a intensidade da ilha de calor até 0,7 °C ao meio-dia, com um aumento médio diário de 0,53 °C [13]. No Verão, a diferença de temperatura entre o centro das áreas urbanas e áreas rurais circundantes pode atingir 2,5 °C, resultando em 5-10 % de consumo adicional de electricidade e desafios operacionais para os sistemas de AVAC [14].

O estudo sustenta que a subida das temperaturas nas cidades, causadas pelas alterações climáticas e pelo efeito de ilha de calor, aumenta significativamente as necessidades de ar condicionado, levando a um maior consumo de energia e agravamento das alterações climáticas. Este fenómeno salienta a necessidade de sistemas de ar condicionado diferentes e mais eficientes para garantir o conforto térmico. O aumento do uso de ar condicionado não só aumentará o consumo de energia, mas também contribuirá para uma maior poluição ambiental. Se não forem tomadas precauções, os efeitos negativos das alterações climáticas irão piorar. Para mitigar esses impactes, é crucial adoptar práticas sustentáveis dos sistemas de AVAC, melhorar a eficiência energética e implementar tecnologias inovadoras de arrefecimento. Isto inclui a integração de estratégias de arrefecimento passivo, o desenvolvimento de tecnologias de redes inteligentes e a utilização de fontes de energias renováveis para fins de arrefecimento.

4. TENDÊNCIA DA PROCURA DE ARREFECIMENTO

Como uma consequência inevitável das alterações climáticas, o aumento da temperatura do ar irá resultar na diminuição da procura por aquecimento e no aumento da procura por arrefecimento. A este respeito, o relatório da AIE demonstrou que, de 2016 a 2050, os graus-dia de arrefecimento irão aumentar, em média, 25,4 % em todo o mundo [11]. De acordo com a pesquisa realizada pela Central do Clima para observar o impacte das alterações climáticas, foram analisadas 242 cidades nos EUA e os graus-dia de aquecimento mostraram um aumento crítico em 96 % das cidades examinadas, desde a década de 1970 até ao presente [15]. Noutro estudo realizado em edifícios comerciais da Austrália, observou-se que a energia para arrefecimento vai aumentar entre 28 % e 59 % até 2070 [16]. Num outro estudo sobre este assunto, foram tomados como base edifícios residenciais e comerciais na Suíça. De acordo com os resultados obtidos, afirma-se que a energia de arrefecimento aumentará a uma taxa crítica de 223 % para 1050 % até 2100 [17].

No estudo realizado na Grécia, observou-se que a necessidade de arrefecimento em edifícios residenciais aumentará significativamente em 248 % até 2100 [7]. Os resultados obtidos na pesquisa conduzida na China indicam que haverá um aumento nas necessidades de arrefecimento. Estes aumentos foram calculados em aproximadamente 20,4 % em Pequim, 11,4 % em Xangai, 14,1 % em Hong Kong e 24,2 % em Kunming [6]. O estudo realizado no Canadá sustentou que a procura de energia para arrefecimento aumentará de 15 – 126 %, usando o cenário de dados climáticos futuros [4]. Um estudo realizado na Bélgica centrou-se na potencial mudança na procura de energia. De acordo com os resultados, prevê-se que a procura de energia para arrefecimento no parque edificado aumente de 39 % a 65 % na década de 2050 e 61 % a 123 % na década de 2090, em comparação com a década de 2010 [18]. De acordo com a pesquisa realizada em edifícios residenciais e cidades com diferentes características climáticas na Nova Zelândia, até 2090 as cargas de arrefecimento irão sofrer um aumento de 40 – 79 %. Entre as cidades estudadas (Auckland, Hamilton, Wellington, Rotorua, Christchurch e Queenstown), é esperado que Wellington experiencie o aumento mais significativo, com um aumento de 79 % na carga de arrefecimento [19].

Um outro estudo revelou um aumento substancial na procura por energia para arrefecimento, atingindo 255,1 %, e um aumento notável na probabilidade de sobreaquecimento, até 155 %, em edifícios residenciais típicos de Milão, a cidade mais populosa da zona climática italiana [20]. Em pesquisas realizadas em edifícios residenciais em quatro cidades diferentes do Japão, espera-se que a carga de arrefecimento anual aumente aproximadamente 12 % em Tóquio, 9 % em Toyohashi, 8 % em Osaka e 7 % em Nagoya [21]. Num estudo realizado numa moradia unifamiliar típica de Istambul, foi sustentado que, de acordo com o cenário climático A2, o consumo de energia para arrefecimento praticamente duplicou entre 2020 e 2080, atingindo 106,95 kWh/m² comparativamente aos 53,14 kWh/m² medidos em 2020 [22].

As pesquisas demonstram consistentemente que as alterações climáticas levarão a um aumento substancial na procura global de arrefecimento, embora com impactos variados entre as regiões. A vulnerabilidade dos sistemas de AVAC a estas mudanças continua a ser uma preocupação persistente.

Num estudo realizado num edifício residencial de vários andares na Suécia, foi sustentado que a procura anual para arrefecimento aumentou de 31 % para 63 % no cenário RCP4.5 e de 45 % para 73 % no cenário RCP8.5. Sublinha-se que, no final do século, serão observadas mudanças significativamente mais pronunciadas na procura anual para aquecimento e arrefecimento dos edifícios de acordo com o cenário RCP8.5 [23]. Num estudo realizado em edifícios residenciais de Taiwan, a utilização anual de energia para arrefecimento foi simulada para as décadas de 2020, 2050 e 2080. Os resultados indicaram aumentos de 31 %, 59 % e 82 % na energia para arrefecimento nesses três períodos de tempo, respectivamente. No entanto, foi sublinhado que essas taxas poderiam ser reduzidas, combinando várias estratégias passivas [24]. Num estudo realizado em Al-Ain, Emirados Árabes Unidos, que tem um clima quente, concluiu-se que num cenário de aquecimento da cidade de 5,9 °C, provavelmente aumentaria a energia para arrefecimento dos edifícios em aproximadamente 23,5 % [25].

As pesquisas demonstram consistentemente que as alterações climáticas levarão a um aumento substancial na procura global de arrefecimento, embora com impactos variados entre as regiões. A vulnerabilidade dos sistemas de AVAC a estas mudanças continua a ser uma preocupação persistente. À medida que as temperaturas globais aumentam e os eventos de calor extremo se tornam mais frequentes, os sistemas de AVAC ficam sujeitos a desafios, como o aumento da carga de trabalho, a diminuição da eficiência e o aumento dos custos operacionais. A crescente procura por arrefecimento não apenas sobrecarrega as reservas de energia, mas também amplifica as repercussões ambientais, incluindo o aumento das emissões de carbono e efeitos exacerbados das ilhas de calor urbanas. A abordagem a estes desafios exige estratégias de adaptação proactivas, abrangendo a adopção de tecnologias energeticamente eficientes, aprimoramento do projecto e do isolamento dos edifícios, e implementação de iniciativas de planeamento urbano destinadas a mitigar os efeitos da ilha de calor.

4.1 INFLUÊNCIAS DAS ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS NOS REQUISITOS DE ENERGIA E UTILIZAÇÃO DO AC E EMISSÕES DE GASES COM EFEITO DE ESTUFA

A crescente procura por arrefecimento devido às alterações climáticas exige uma exploração mais profunda das suas repercussões ambientais. O ar condicionado, fundamental para manter o conforto no interior dos edifícios, opera numa escala que afecta significativamente o aquecimento global. Os fluidos frigorigéneos utilizados nos sistemas, como os hidrofluorocarbonetos (HFCs), possuem uma capacidade de reter calor na atmosfera em comparação com o CO2, amplificando o efeito de estufa. Além disso, a electricidade necessária para alimentar os aparelhos de ar condicionado é predominantemente gerada a partir de combustíveis fósseis, o que não só aumenta as emissões de carbono, mas também contribui para a poluição do ar e outras preocupações ambientais. Este duplo impacto sublinha a necessidade urgente de tecnologias de refrigeração sustentáveis, incluindo a adopção de sistemas energeticamente eficientes e avanços na gestão de fluidos frigorigéneos para mitigar as emissões de gases com efeito estufa e ainda a promoção de fontes de energia renováveis. Enfrentar estes desafios é essencial, não apenas para reduzir a pegada ambiental dos sistemas de refrigeração, mas também para mitigar a sua contribuição para a mudança climática global.

Actualmente, os aparelhos de ar condicionado e os ventiladores eléctricos consomem cerca de 20 % da energia total utilizada em edifícios a nível mundial. O consumo de energia para arrefecimento ambiente tem aumentado constantemente ao longo dos anos e a AIE prevê que a necessidade de energia para arrefecimento de espaços interiores quadruplicará até 2050 [11]. Em meados do século, o arrefecimento de espaços interiores irá representar 30 % a 50 % da carga eléctrica de pico em muitos países, potencialmente levando a falhas significativas na rede [11]. Globalmente, o consumo anual de energia para ar condicionado é de aproximadamente 1 milhão de milhões de quilowatts-hora (1012 kWh), o que excede o dobro do uso total de energia de todo o continente africano [26]. Estima-se também que, num futuro próximo, a energia necessária para o arrefecimento superará a do aquecimento em mais de dez vezes [26].

Estas tendências destacam a necessidade crítica de soluções de arrefecimento sustentáveis. A crescente dependência do ar condicionado não só coloca imensa pressão sobre os recursos energéticos, mas também exacerba impactes ambientais, incluindo maiores emissões de carbono e intensificação do efeito de ilha de calor. Para abordar estes desafios são necessárias estratégias de adaptação proactivas, as quais devem incluir a adopção de tecnologias eficientes do ponto de vista energético, melhorias no isolamento e concepção dos edifícios, e medidas de planeamento urbano que mitiguem o efeito das ilhas de calor. Tais medidas são cruciais não só para manter o conforto e a produtividade nos edifícios, mas também para reduzir a pegada ambiental global associada ao aumento da procura por arrefecimento num clima cada vez mais quente.

5. ABORDAGEM PREVENTIVA E POSSÍVEIS SOLUÇÕES

Uma vez que a procura de energia em edifícios é directamente influenciada por flutuações nas condições climáticas externas, estão a ser desenvolvidos esforços abrangentes de mitigação e adaptação para lidar com os profundos e significativos impactes das alterações climáticas. O grau em que esses efeitos são sentidos varia de acordo com os tipos de construção e zonas climáticas. Uma das principais áreas em foco é a implementação de estratégias passivas. Invidiata e Ghisi descobriram que as necessidades de arrefecimento em edifícios residenciais no Brasil podem ser reduzidas em 50 % com o uso de estratégias passivas, como isolamento térmico e sombreamento [5]. Da mesma forma, estudos sobre edifícios residenciais nos Emirados Árabes Unidos sugerem que as estratégias de isolamento térmico e massa térmica podem reduzir significativamente as necessidades de arrefecimento. Em Hong Kong, estratégias passivas eficazes levaram a uma redução na carga de arrefecimento em 56,7 – 64,5 % [27]. Estas estratégias são essenciais para diminuir o consumo de energia e melhorar a eficiência energética dos edifícios. As medidas passivas, como melhor isolamento, sombreamento optimizado, ventilação natural e materiais de cobertura reflexivos, desempenham um papel crucial na redução da dependência de sistemas de refrigeração mecânicos.

Além das estratégias passivas, a potencialização da eficiência das tecnologias existentes e o desenvolvimento de dispositivos amigos do ambiente também são vitais. De acordo com a AIE, as necessidades de arrefecimento podem ser reduzidas para metade se as unidades de ar condicionado forem substituídas por modelos de alto desempenho [11]. As tecnologias de arrefecimento a partir de fontes renováveis, particularmente aquelas que utilizam energia solar térmica e energia solar fotovoltaica, são soluções promissoras para regiões com arrefecimento em rápido crescimento. Os sistemas de arrefecimento urbano podem fornecer uma económica flexibilidade à rede eléctrica em áreas densamente povoadas e quentes [11]. A integração de sistemas para armazenar e utilizar energia solar nos edifícios pode reduzir significativamente o consumo global de energia.

Em Itália, a combinação de unidades de tratamento de ar com caldeiras de condensação a gás tem mostrado benefícios energéticos substanciais, particularmente em climas temperados. A integração de um gerador de calor de biomassa com uma eficiente caldeira de condensação a gás levou a uma economia de energia de até 30 %. No entanto, usar um sistema de bomba de calor ar-água em vez de biomassa resultou num aumento do consumo de energia, destacando a importância de se seleccionar a tecnologia adequada para condições climáticas específicas [28]. No Reino Unido, os estudos têm identificado os sistemas de bomba de calor solo-água como os mais adequados como solução primária de ar condicionado. Estes sistemas oferecem alta eficiência e podem reduzir significativamente o consumo de energia e as emissões em comparação com os sistemas tradicionais [29]. Além disso, integrando fontes de energia renováveis nos projectos dos edifícios, como energia solar e geotérmica, podem fornecer soluções sustentáveis de arrefecimento.

A combinação destas estratégias – medidas passivas, tecnologias eficientes e integração de energias renováveis – pode criar sistemas de edifícios resilientes e sustentáveis. Para responder à procura crescente de arrefecimento é necessária uma abordagem holística que considere os avanços tecnológicos e os princípios de concepção ambientalmente conscientes. Estas medidas são cruciais não só para manter o conforto e a produtividade nos edifícios, mas também para reduzir a pegada ambiental global associada ao aumento da procura de arrefecimento num clima cada vez mais quente. No entanto, as alterações climáticas afectam cada região em diferentes graus, de modo que uma profunda análise da vulnerabilidade climática por região é necessária antes de desenvolver estratégias de adaptação climática [30].

6. RESULTADO

Este estudo destaca o profundo impacte das alterações climáticas nos sistemas de AVAC e no desempenho energético dos edifícios. Com as temperaturas globais crescentes e os eventos climáticos extremos mais frequentes, a procura por arrefecimento de espaços interiores deve aumentar significativamente em várias regiões climáticas. Esta tendência não apenas sobrecarrega os recursos energéticos, mas também agrava os desafios ambientais, incluindo o aumento das emissões de carbono e o efeito de ilha de calor urbana. Para mitigar os impactos de forma eficaz, as medidas proactivas são essenciais. Estratégias passivas, como isolamento térmico, sombreamento, ventilação natural e materiais de cobertura reflexivos mostraram potencial substancial na redução das necessidades de arrefecimento. Além disso, o melhoramento da eficiência tecnológica dos sistemas de AVAC e a integração de fontes de energia renováveis emergem como soluções críticas. A substituição de unidades de ar condicionado por unidades de alto desempenho, utilizando sistemas solares térmicos e fotovoltaicos para arrefecimento, e a implementação de redes de arrefecimento urbano, oferecem caminhos promissores para reduzir o consumo de energia e aumentar a resiliência dos edifícios.

A integração destas estratégias – medidas passivas, tecnologias eficientes e energias renováveis – apresenta uma abordagem holística para construir resiliência contra os impactes das alterações climáticas. Ao adoptar estas medidas, as partes interessadas podem mitigar a procura de energia, promover a gestão ambiental e aumentar o conforto e bem-estar dos ocupantes diante de um clima em mudança. Em conclusão, os desafios colocados pelas alterações climáticas exigem colaboração entre formuladores de políticas, projectistas, engenheiros e operadores de edifícios. Priorizar a resiliência climática dos sistemas de AVAC e adoptar estratégias adaptativas irá contribuir para um ambiente construído capaz de navegar pelas complexidades de um mundo em efectivo aquecimento.

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Fotografia de destaque: © Shutterstock

O conteúdo Avaliando o impacto de futuros cenários climáticos no desempenho dos sistemas de AVAC aparece primeiro em Edificios e Energia.

(Este artigo faz parte do REHVA Journal 02/2024: https://www.rehva.eu/rehva-journal/chapter/technical-guidance-for-epbd-implementation-task-force-march-18th-2024)

Autores do artigo:

Grupo de Trabalho da Comissão de Tecnologia e Investigação*, REHVA
* Lista de membros que elaboraram o Guia de Implementação da EPBD:

Jarek Kurnitski (presidente), Tallinn University of Technology, Estónia; Jaap Hogeling (co-presidente), EPB Center, Países Baixos; Livio
Mazarella, Politecnico di Milano, Itália; Johann Zirngibl, EPB Center, Alemanha; Dick van Dijk, EPB Center, Países Baixos; Tomasz Cholewa,
Lublin University of Technology, Polónia; Olli Seppänen, FINVAC, Finlândia; Pedro Vicente, UNIVERSITAS Miguel Hernández, Espanha;
Igor Sikonczyk, EUROVENT; Martin Thalfeldt, Tallinn University of Technology, Estónia; Ongun Berk Kazanci, Technical University
of Denmark, Dinamarca; Jun Shinoda, Technical University of Denmark, Dinamarca; Francesca R. d’Ambrosio, AiCARR, Itália; Gyuyoung
Yoon, Nagoya University, Japão; Masaya Okumiya, Nagoya University, Japão; Makiko Ukai, Nagoya University, Japão.

O indicador de energia primária (PE) é o principal indicador de desempenho energético (EP) na Directiva do Desempenho Energético dos Edifícios (EPBD), sendo usado para definir requisitos mínimos e, na maioria dos certificados de desempenho energético, a escala de classificação energética. A revisão da EPBD proporcionou algumas alterações importantes no cálculo do desempenho energético com impacto tanto nos indicadores para edifícios com emissões nulas (ZEB) e edifícios com necessidades quase nulas de energia (NZEB), como nas classes dos certificados energéticos.

Este documento explica os princípios da EPBD e fornece exemplos de cálculos de energia e de produção de emissões operacionais de gases com efeito de estufa (kg CO2 eq/(m2.ano)) para um NZEB de referência situado em três climas europeus distintos. Enquanto muitos artigos sobre a EPBD empregam uma terminologia vaga de energia primária, a energia primária total é especificada para indicar o nível de desempenho energético para os ZEB, com factores de energia primária (PEF) delineados para energias não renováveis, energia primária renovável e energia total.

Este documento clarifica a metodologia recomendada para o cálculo dos limiares de energia primária e de produção de emissões operacionais de gases com efeito de estufa para facilitar a implementação harmonizada a nível nacional.

RESUMO DAS PRINCIPAIS ORIENTAÇÕES PARA O CÁLCULO DA ENERGIA PRIMÁRIA

A EPBD segue o princípio de eficiência [energética] em primeiro lugar, o que significa que a energia primária total, incluindo tanto a energia primária renovável como a energia primária não renovável, deve ser minimizada. A transição para a energia primária total e as emissões operacionais de gases de efeito estufa é claramente expressa para os ZEB, enquanto para os certificados de desempenho energético há mais liberdade.

Nos edifícios, o cálculo da energia primária total pode ser um desafio devido à utilização de energia ambiente disponível gratuitamente no local por tecnologias como bombas de calor, bem como à utilização de radiação solar no local por colectores solares ou painéis fotovoltaicos, que podem não ser totalmente contabilizadas. A aplicação da EPBD de acordo com o princípio da eficiência em primeiro lugar envolve, inicialmente, a redução do consumo de energia através de medidas de eficiência energética e, posteriormente, o recurso a fontes de energia renováveis para cobrir o consumo restante. O presente documento analisa a forma como este princípio fundamental pode ser aplicado nos cálculos energéticos e no estabelecimento de indicadores relevantes de energia primária.

De acordo com as definições da EPBD, a energia primária total deve ser calculada a partir da energia fornecida, a qual se refere à energia fornecida através da fronteira de avaliação. No entanto, a EPBD não define explicitamente as fronteiras de avaliação, conduzindo a várias opções e interpretações no que diz respeito ao cálculo da energia primária nas implementações nacionais.

Neste documento, propõe-se calcular os valores de EP com base na energia primária total e no CO2 operacional da energia fornecida no local. Esta abordagem garante que a electricidade renovável produzida e consumida no local e a energia ambiente não aumentam o valor do EP, uma vez que não são tratadas como energia fornecida. Consequentemente, o cálculo baseia-se nos mesmos fluxos de energia para a energia primária não renovável, a energia primária total e o CO2 operacional, embora com factores diferentes. Este princípio está alinhado com a lógica da EPBD de reduzir o consumo de energia e aumentar a utilização de energia proveniente de fontes renováveis, nomeadamente através de instalações de energia solar e bombas de calor.

São propostas duas opções de fronteiras de avaliação, como ilustrado nas Figuras 1 e 2, seguindo as fronteiras de avaliação de edifícios da norma EN ISO 52000-1. Estas opções são complementadas com uma matriz de exclusão ou com uma fronteira do local de construção para o cálculo da energia primária, ambas conduzindo ao mesmo resultado. A energia ambiente e a energia renovável gerada no local não são adicionadas ao indicador de energia primária total, pois o objectivo é minimizar a energia primária total e o CO2 operacional das redes de energia. Além de descrever o procedimento de cálculo da energia primária e do CO2 operacional, este documento discute os requisitos dos
ZEB, os limiares de energia e de CO2 operacionais e a cobertura da energia primária total numa base anual com energia renovável e isenta de carbono. São fornecidos exemplos de cálculo para um edifício de referência NZEB para três climas europeus.

1. INTRODUÇÃO

Por princípio, a EPBD segue o mesmo quadro de definições de energia utilizado em directivas como a da Eficiência Energética (EED) e a das Energias Renováveis (RED), com o objectivo comum de reduzir a utilização de energia primária total e incentivar o uso de fontes de energia renováveis. No entanto, a aplicação da EPBD no contexto dos edifícios apresenta desafios, particularmente no que diz respeito à utilização de energia ambiente disponível gratuitamente no local para tecnologias como bombas de calor e painéis solares. Isso aumenta a importância de aderir ao princípio delineado na EPBD, eficiência [energética] em primeiro lugar, que, antes do recurso a fontes de energia renováveis, prioriza a redução do consumo de energia.

A aplicação deste princípio nos cálculos energéticos e o estabelecimento de indicadores pertinentes de energia primária exigem uma examinação exaustiva das fronteiras de avaliação da EPBD e das principais definições, tendo simultaneamente em conta as implicações do princípio para a contabilização dos efeitos positivos das energias renováveis. Por exemplo, para determinar se a energia fotovoltaica no local deve ser considerada energia fornecida e se a energia ambiente deve ser incluída no indicador de energia primária total ou excluída dele, é necessária uma análise cuidadosa. Do mesmo modo, é crucial ter em conta a electricidade fotovoltaica utilizada em autoconsumo e a exportada quando se calculam os indicadores de energia primária total ou não renovável.

Além disso, ainda que a EPBD introduza novos requisitos para abranger a energia primária total dos ZEB com energia renovável ou isenta de carbono, bem como o aquecimento/arrefecimento urbano, o cálculo desses requisitos justifica uma análise. Adicionalmente, embora o indicador de energia primária seja complementado com um indicador de CO2 operacional, é essencial notar que o cálculo da energia permanece fundamentalmente o mesmo; apenas são aplicados diferentes factores para calcular a energia primária e as emissões operacionais de CO2 a partir dos valores da energia fornecida. A introdução do indicador de CO2 operacional serve como uma nova métrica a ser usada juntamente com o indicador de energia primária total para ZEB, enquanto outros requisitos mínimos e a classe energética do certificado de desempenho energético continuarão a ser baseados em termos de energia primária.

2. REQUISITOS DOS ZEB NA EPBD

Os ZEB são definidos nos artigos 2.º, 7.º e 11.º da EPBD. Os requisitos destes edifícios incluem, conforme estabelecido no artigo 11.º, [o seguinte]:

• Os ZEB não podem gerar quaisquer emissões de carbono provenientes de combustíveis fósseis no local (artigo 11.º, n.º 1).

• O limiar máximo para a procura energética de um ZEB deve ser fixado com vista a atingir, pelo menos, os níveis óptimos de rentabilidade (n.º 2). O limiar máximo para a procura de energia de um ZEB deve ser, pelo menos, 10 % inferior ao limiar para a utilização total de energia primária estabelecido para NZEB (n.º 3).

• Deve ser fixado um limiar máximo para as emissões operacionais de gases com efeito de estufa de um ZEB (n.º 5).

• A utilização total anual de energia primária de um ZEB novo ou renovado deve ser abrangida, sempre que tal seja técnica e economicamente viável, por (n.º 7):

(a)energia proveniente de fontes renováveis produzida no local ou nas proximidades, que preencha os critérios estabelecidos no artigo 7.º da Directiva (UE) 2018/2001 (RED);

(b) energia proveniente de fontes renováveis fornecida por uma comunidade de energias renováveis na acepção do artigo 22.º da Directiva (UE) 2018/2001 (RED);

(c) energia proveniente de um sistema de aquecimento e arrefecimento urbano eficiente, em conformidade com o artigo 26.º, n.º 1, da Directiva (UE) 2023/1791 (EED);

(d) energia proveniente de fontes isentas de carbono.

• O ZEB deve oferecer a capacidade de reagir a sinais externos e adaptar a sua utilização, a sua transformação ou o seu armazenamento de energia, sempre que económica e tecnicamente viável (n.º 1).

A EPBD não define explicitamente um limiar para a procura de energia, uma vez que define “necessidades energéticas” e “utilização de energia/consumo de energia”, mas não “procura de energia”. No entanto, estipula que esse limiar deve ser, pelo menos, 10 % inferior ao limiar de energia primária total para os NZEB. Este requisito permite ter em conta diferentes indicadores energéticos, para além da energia primária total, em comparação com a energia primária total dos NZEB.

Ademais, a EPBD, embora não seja clara quanto à especificação dos limiares da procura de energia, impõe claramente o cálculo da utilização anual total de energia primária para os ZEB. A análise subsequente investiga a forma como o cálculo da energia primária total é especificado na EPBD.

3. CÁLCULO DA ENERGIA PRIMÁRIA TOTAL NA EPBD REVISTA

A EPBD inclui as principais definições e os princípios para se estabelecer uma fronteira de avaliação e se calcular a energia primária. As seguintes definições do artigo 2.º constituem o ponto de partida para o cálculo do indicador de energia primária na EPBD:

• Fronteira de avaliação (definição n.º 53), a fronteira em que a energia fornecida e a exportada são mensuradas ou calculadas [1];

• Utilização de energia (n.º 58), o input de energia num sistema técnico do edifício a prestar um serviço de desempenho energético destinado a satisfazer uma necessidade energética;

• Energia fornecida (n.º 62), a energia, expressa por vector energético, fornecida aos sistemas técnicos dos edifícios através da fronteira de avaliação para satisfazer as utilizações consideradas ou para produzir a energia exportada;

• Energia exportada (n.º 63), a proporção de energia renovável que é exportada para a rede de energia em vez de ser utilizada no local para utilização própria ou para outras utilizações no local, expressa por vector de energia e por factor de energia primária.

Algumas definições mais fundamentais em matéria de energia são [as seguintes]:

• Energia primária (definição n.º 9, EPBD), a energia proveniente de fontes renováveis e não renováveis que não tenha sido submetida a qualquer processo de conversão ou transformação;

• Energia proveniente de fontes renováveis (n.º 14, EPBD), a energia proveniente de fontes renováveis não fósseis, nomeadamente a energia eólica, solar (solar térmica e solar fotovoltaica) e geotérmica, a energia osmótica, a energia ambiente, a energia das marés, das ondas e outras energias oceânicas, a energia hidroeléctrica, a biomassa, os gases dos aterros, os gases das instalações de tratamento de águas residuais e o biogás [2];

• Consumo de energia primária (n.º 4, EED), a energia bruta disponível, excluindo bancas marítimas internacionais, o consumo final não energético e a energia ambiente;

• Energia ambiente (n.º 2, RED), a energia térmica natural e a energia acumulada no ambiente com fronteiras apertadas, que podem ser armazenadas no ar ambiente, excluindo o ar de exaustão, ou nas águas superficiais ou residuais;

Nas definições da EPBD a propósito do factor de energia primária (artigos 2.º, 11.º a 13.º), afirma-se que a energia primária é calculada multiplicando a energia fornecida pelo factor de energia primária. Por conseguinte, de acordo com a definição n.º 62, os fluxos de energia a considerar no cálculo do indicador de PE são os fornecidos através da fronteira de avaliação. Se a fronteira de avaliação for fixada de modo a que a energia ambiente e a energia fotovoltaica no local não sejam fornecidas através da fronteira de avaliação, estas energias não devem ser consideradas no cálculo do indicador de PE.

No entanto, uma fronteira de avaliação de edifícios comum, presente na norma EN ISO 52000-1, é especificada de maneira a que tanto a energia ambiente como a energia solar fotovoltaica e a energia solar térmica sejam fornecidas através da fronteira de avaliação, devendo, por conseguinte, ser adicionadas à energia primária, o que aumentará o indicador de energia primária total (valor EP).

Existem duas opções para evitar que a energia ambiente e a solar (promovida na EPBD) façam aumentar o valor do indicador EP. Ambas, descritas nas secções 3.1 Fronteira de avaliação dos edifícios e especificação dos fluxos de energia e 3.2 Fronteira do local de construção, estão em consonância com a proposta ZEB de balanço zero do Joint Research Centre (JRC, 2023) relativa à energia primária e às emissões de CO2 ao longo de um ano, bem como com a EED, que exclui a energia ambiente na definição de energia primária.

3.1 FRONTEIRA DE AVALIAÇÃO DOS EDIFÍCIOS E ESPECIFICAÇÃO DOS FLUXOS DE ENERGIA

Uma fronteira de avaliação apresentada na Figura 1 separa a utilização de energia (lado da procura) do fornecimento de energia produzida localmente, do fornecimento de energia proveniente de zonas próximas e distantes e dos vectores de energia exportada. O autoconsumo de electricidade renovável produzida localmente cobre uma parte da utilização de energia e, por isso, reduz a quantidade de electricidade fornecida pela rede. A electricidade renovável produzida nas proximidades e a gerada na comunidade dependem de disposições técnicas e contratuais, mas no cálculo energético podem ser tratadas como vectores de energia fornecida, distinguindo-se da electricidade da rede com diferentes PEF. Os combustíveis, tanto renováveis como não renováveis, são tratados como energia fornecida com PEF relevante.

A energia primária total, tal como definida na norma EN ISO 52000-1, é calculada da seguinte forma:

Na norma EN ISO 52000-1, o factor kexp 0 ou 1 é definido para excluir ou incluir a energia exportada. Muitas vezes, kexp=0 é usado para evitar a sobrestimação do seu impacto, resultando na energia primária total dada pela seguinte equação:

Se, por outro lado, se considerar a energia exportada, um cálculo anual vai tender a sobrestimar o impacto das energias renováveis no local devido ao excedente e ao baixo consumo no período do Verão. Para ser correcto, este cálculo deve ser realizado numa base horária com um PEF horário em vez de um PEF anual. O indicador de energia primária total é calculado dividindo a energia primária total pela área útil:

em que

EPtot é o indicador de energia primária total [kWh/ (m2 a)];

Ep,tot é a energia primária total (kWh/a);

Edel,i é a energia fornecida (kWh/a) para o vector de energia i;

Eexp,i é a energia exportada (kWh/a) para o vector de energia i;

fdel,tot,i é o factor de energia primária total (-) para o vector de energia fornecida i;

fexp,tot,i é o factor de energia primária total (-) da energia fornecida compensada pela energia exportada para o vector de energia i;

Anet é a área útil de pavimento (m2).

No cálculo das emissões operacionais de gases com efeito de estufa, de forma semelhante, o factor kexp igualado a 0 ou 1 é utilizado para excluir ou incluir a energia exportada. As emissões operacionais de gases com efeito de estufa são calculadas a partir da energia fornecida e exportada do seguinte modo:

em que

EPCO2 é o indicador de emissões operacionais de gases com efeito de estufa [gCO2/(m2 a)];

mCO2 é a emissão operacional de gases com efeito de estufa (gCO2/a);

Kdel,i é o coeficiente de CO2 (gCO2/kWh) para o vector de energia fornecido i;

Kexp,i é o coeficiente de CO2 (gCO2/kWh) para o vector de energia exportada i.

Para o cálculo do indicador de energia primária total, a fronteira de avaliação representada na Figura 1 carece da indicação do multiplicador (1 ou 0) para especificar quais os fluxos de energia transversais à fronteira de avaliação que serão (1) ou não serão (0) considerados – ver Tabela 1. Um método alternativo para especificar os fluxos de energia incluídos consiste em utilizar a fronteira do local de construção em vez da Tabela 1, como se indica na secção 3.2 Fronteira do local de construção.

3.2 FRONTEIRA DO LOCAL DE CONSTRUÇÃO

A fronteira do local de construção, delineada pela fronteira do edifício conforme a linha tracejada ilustrada na Figura 2, serve como um meio para diferenciar os fluxos de energia fornecida e os de energia exportada através da fronteira. A utilização de energia é calculada usando a fronteira de avaliação descrita na EN ISO 52000-1, mas para o cálculo do indicador de energia primária é utilizada a fronteira do local de construção.

Dentro desta fronteira, as energias renováveis no local, a energia ambiente e a energia geotérmica são englobadas e, portanto, não são fornecidas através da fronteira de avaliação. Por conseguinte, não são contabilizadas no indicador de energia primária.

O posicionamento da fronteira do local de construção na Figura 2 está alinhado com a localização típica dos principais contadores de energia e pontos de ligação, garantindo a plena conformidade com a definição de fronteira de avaliação da EPBD, no artigo 2.º, n.º 53. É de notar que a figura não indica a localização dos contadores de energia para a electricidade renovável produzida na proximidade ou na comunidade devido a diferentes disposições técnicas e contratuais, resultando em várias opções possíveis. Nos cálculos energéticos, a electricidade renovável gerada nas proximidades ou na comunidade é tratada como energia fornecida, mas distingue-se da electricidade da rede, que utiliza diferentes PEF.

Com a fronteira do local de construção indicada na Figura 2, o indicador de energia primária total é calculado a partir da energia fornecida ao local, ou seja, a partir da energia fornecida com origem próxima e distante. Incluindo os dados do edifício multifamiliar modelo e dos PEF introduzidos na secção 5. Edifício modelo, factores de energia primária e coeficientes de CO2 para calcular indicadores de EP, a Figura 3 exemplifica o cálculo do indicador de energia primária total. O cálculo do CO2 operacional utiliza exactamente os mesmos fluxos de energia fornecida. Por conseguinte, para o indicador de energia primária total, o indicador de energia primária não renovável (não apresentado na Figura 3) e o cálculo de CO2 operacional, a única diferença reside nos PEF e nos coeficientes de CO2.

No que diz respeito ao cálculo energético, é necessário calcular o consumo e a produção de energia a nível horário para conhecer o autoconsumo fotovoltaico, a utilização da energia fotovoltaica para outros usos no local e a electricidade exportada. O cálculo da energia horária é mencionado no Anexo I da EPBD, mas o cálculo mensal também é aceite. Um exemplo de cálculo semelhante ao da Figura 3 é fornecido nos casos de estudo do relatório sobre os ZEB do JRC (2023). Não existe uma definição exacta para a fronteira de avaliação no relatório do JRC, mas os resultados dos casos de estudo permitem verificar que foi utilizada a mesma fronteira de avaliação.

Note-se que a PE total não é capaz de distinguir a utilização de combustíveis fósseis e de energia de fontes renováveis, incluindo os biocombustíveis (todos têm um PEF total de cerca de 1,0). De acordo com o artigo 11.º da EPBD, o requisito de “procura de energia” do ZEB é o “limiar máximo estabelecido a nível dos Estados-Membros”. Neste caso, cada Estado-Membro tem a liberdade de definir o ZEB seguindo os princípios da optimização dos custos e do Anexo I da EPBD (referidos na definição do artigo 2.º do ZEB). Segundo o Anexo I, deverá ser utilizado “um indicador numérico da utilização de energia primária” e “o cálculo da energia primária basear-se-á em PEF (distinguindo factores não renováveis, renováveis e totais) ou em factores de ponderação”. O mesmo documento exige, igualmente, que se reconheçam os benefícios do aquecimento e arrefecimento urbanos e a influência positiva das energias renováveis, que é possível com o indicador de PE não renovável, mas alvo de negligência pelo indicador de PE total. No entanto, os requisitos n.º 1 e n.º 7 dos ZEB asseguram que estes benefícios sejam reconhecidos.

4. CÁLCULO DO REQUISITO ZEB DE COBERTURA DA UTILIZAÇÃO ANUAL DE ENERGIA PRIMÁRIA TOTAL

Embora o indicador de energia primária total seja calculado como indicado nas secções 3.1 Fronteira de avaliação dos edifícios e especificação dos fluxos de energia e 3.2 Fronteira do local de construção, é possível verificar de que forma é que este é abrangido pelo requisito dos ZEB presente no n.º 7 do artigo 11.º.

De acordo com este requisito, a utilização anual de energia primária total deve ser coberta por energias renováveis produzidas no local, nas proximidades ou produzidas em comunidades de energias renováveis, tal como definido na RED, pela energia proveniente de sistemas de aquecimento e arrefecimento urbanos eficientes, tal como definido na EED, e pela energia proveniente de fontes isentas de carbono (electricidade da rede nuclear e da rede renovável). Isto significa que, anualmente, a soma das energias renováveis do local, das proximidades e da comunidade, do aquecimento e arrefecimento urbanos eficientes e da fracção isenta de carbono da electricidade da rede deve ser igual ou superior à energia primária total. As energias renováveis, tal como definidas na RED, incluem a energia ambiente (calor captado do ambiente por bombas de calor) se o factor de desempenho sazonal de uma bomba de calor for >2,4 [3].

Um exemplo de cálculo é ilustrado na Tabela 2 para o edifício multifamiliar modelo. Como este requisito é definido com uma base anual, toda a produção fotovoltaica é considerada.

É bem visível que a concretização do requisito de cobertura é mais difícil para o clima nórdico, porque, no caso de um sistema fotovoltaico mais pequeno, o aquecimento urbano não conseguiria satisfazer este requisito. No entanto, no caso de diminuição dos PEF no futuro, é provável que este requisito seja automaticamente satisfeito se forem aplicados limiares óptimos de rentabilidade ao indicador de energia primária total, pelo que o requisito serve mais como uma lista de verificação que indica quais as fontes de energia que devem ser utilizadas no ZEB. Com uma caldeira a gás, que foi incluída para fins ilustrativos, o requisito, evidentemente, não é cumprido.

A cláusula 22 do texto de justificação da EPBD (antes dos artigos) explica que “existem diferentes opções para satisfazer as necessidades energéticas de um edifício com emissões nulas: energia gerada no local ou nas proximidades cuja fonte é renovável, por exemplo, energia solar térmica, energia geotérmica, energia solar fotovoltaica, bombas de calor, energia hidroeléctrica e biomassa, energia renovável fornecida por comunidades de energia renovável, redes urbanas de aquecimento e arrefecimento eficientes, e energia de outras fontes isentas de carbono. A energia proveniente da combustão de combustíveis renováveis é considerada energia proveniente de fontes renováveis produzida no local sempre que a combustão do combustível renovável ocorra no local”. Portanto, a combustão de biocombustíveis está incluída na cobertura da energia primária total anual. Note-se que, no cálculo da energia primária total para o limiar máximo dos ZEB, como indicado nas Figuras 1 e 2, os combustíveis renováveis são calculados com PEF relevantes.

5. EDIFÍCIO MODELO, FACTORES DE ENERGIA PRIMÁRIA E COEFICIENTES DE CO2 PARA CALCULAR INDICADORES DE EP

Um edifício multifamiliar moderno, apresentado na Figura 4 e projectado para corresponder aos actuais requisitos para os NZEB, foi utilizado para a realização de cálculos-exemplo para três climas europeus. Os principais dados do edifício modelo são os seguintes:

• Três andares, 12 apartamentos, 1 120 m2 de área aquecida;

• Ventilação com recuperação de calor;

• Sistema fotovoltaico de 30 kW;

• Sistema de arrefecimento;

• Bomba de calor ar-água, aquecimento urbano eficaz (50 % renováveis) ou caldeira a gás para aquecimento.

O edifício modelo está bem isolado para que os valores de U dependam da zona climática, como mostra a Tabela 3. A descrição mais detalhada do edifício é relatada em Võsa et al. (2023).

As necessidades de energia simuladas por hora, a utilização de energia com as fontes de aquecimento estudadas e a produção fotovoltaica são apresentadas na Tabela 4. As simulações energéticas foram realizadas com uma ferramenta de simulação comercial que permite incluir uma bomba de calor, energia fotovoltaica e outros sistemas técnicos num modelo de simulação de todo o edifício multizona (Võsa et al., 2023). A título ilustrativo, foi aplicada a mesma eficiência da caldeira à caldeira urbana de calor e gás, pelo que, nestes casos, os dados relativos à utilização de energia são idênticos e as diferenças são exclusivamente causadas por PEF.

Os PEF são seleccionados de modo a representarem o factor de energia primária médio da União Europeia para a electricidade em 2024 e a cumprir o requisito mínimo de 50 % de fontes de energia renováveis na produção eficiente de calor urbano – ver Tabela 5.

Para a electricidade, o PEF total = 1,9 é relatado em Trinomics (2022). Assumimos 6 % de perdas de transmissão, 50 % de quota renovável na geração e 38 % de eficiência média de produção noutras produções energéticas que não as renováveis para estimar o PEF não renovável. Estes pressupostos permitem calcular o PEF aproximado para a electricidade da seguinte forma:

• PEF total = 0,5 × (1/0,94) + 0,5 × (1/0,94/0,38) = 1,9

• PEF não renovável = 0,5 × (1/0,94/0,38) = 1,4

• PEF renovável 1,9 – 1,4 = 0,5

Para um aquecimento urbano eficiente, assumimos uma quota de 50 % de energias renováveis, 90% de eficiência de produção e 8 % de perdas na rede:

• PEF total = 1/0,92/0,9 = 1,2

• PEF não renovável (factor zero para as energias renováveis) 0,5 × (1/0,92/0,9) = 0,6

• PEF renovável 1,2 – 0,6 = 0,6

Para o coeficiente de CO2 da electricidade da rede é utilizado o valor médio da União Europeia de 2022 (Agência Europeia do Ambiente, 2023). O coeficiente de CO2 para o aquecimento urbano eficiente é calculado a partir do valor do gás natural com os mesmos pressupostos utilizados no caso de PEF. Parte-se do princípio de que os combustíveis renováveis não têm emissões operacionais de CO2.

6. COMPARAÇÃO COM AS ABORDAGENS ACTUAIS NOS ESTADOS-MEMBROS PARA CALCULAR O INDICADOR DE PE

Para ilustrar as diferenças que as abordagens de cálculo actualmente em uso nos Estados-Membros (EM) podem causar, são calculados indicadores de energia primária, não renovável e total, para o edifício multifamiliar modelo. São utilizados os componentes do balanço energético indicados na Tabela 4 e os PEF na Tabela 5. O balanço energético entre a utilização de energia e os vectores de energia fornecidos para a zona climática continental/ oceânica é ilustrado na Figura 5, que é usada para explicar, passo-a-passo, o cálculo dos indicadores de energia primária com algumas das abordagens usadas.

Uma vez que muitos EM incluem utilizações fora do âmbito da EPBD (iluminação e aparelhos) no cálculo do indicador de energia primária, a utilização de energia e a electricidade da rede fornecida a estes serviços não regulados pela EPBD são apresentadas entre parênteses no balanço energético presente na Figura 5. Esta figura sumariza a utilização de energia (entrada de energia num sistema técnico do edifício), a produção de electricidade no local e a energia fornecida/exportada, sem fornecer qualquer definição de fronteiras de avaliação. Por conseguinte, qualquer EM pode aplicar fronteiras de avaliação e regras de cálculo nacionais a este exemplo e calcular o indicador de energia primária de modo a compará-lo com os resultados apresentados a seguir.

Existem duas a três abordagens comuns para calcular o indicador de energia primária (valor EP). Com base nos regulamentos nacionais, pode estimar-se que cerca de dois terços dos EM consideram apenas o autoconsumo da energia fotovoltaica e o consumo noutras utilizações no local. Cerca de um terço dos EM também incorporam a energia exportada, o que pode resultar em valores negativos de EP. No primeiro grupo (dois terços), a maioria dos EM inclui no cálculo serviços abrangidos pela EPBD e serviços fora do âmbito da EPBD. No segundo grupo (um terço), apenas as utilizações inscritas na EPBD são normalmente incluídas. Por conseguinte, é possível identificar pelo menos três abordagens habituais para calcular os indicadores de PE. Alguns EM realizam este cálculo com PEF não renovável e outros com PEF total, mas aqui aplicamos o PEF total para a electricidade que utilizámos na Tabela 5. Com os valores da bomba de calor ar-água apresentados na Figura 5, o resultado do cálculo dos indicadores EPtot é o seguinte:

1. Autoconsumo da energia fotovoltaica e utilizada noutras utilizações no local, incluindo serviços dentro e fora do âmbito da EPBD (utilizados pelo menos por oito EM)

EPtot = (20 – 5,6) × 1,9+(21,9 – 6,6) × 1,9 = 56,2 kWh/(m2.a)

2. Autoconsumo fotovoltaico e serviços englobados na EPBD (utilizados pelo menos por cinco EM, correspondendo à proposta da secção 3)

EPtot = (20 – 5,6) × 1,9 = 27,3 kWh/(m2.a)

3. Exportação fotovoltaica (produção total) e serviços regulados pela EPBD (utilizados pelo menos por sete EM)

EPtot = (20 – 22,8) × 1,9 = –5,4 kWh/(m2.a)

Em alguns EM, existem fronteiras para a contabilização da contribuição máxima das energias renováveis ou para o cumprimento de outro requisito de energia primária sem considerar a produção fotovoltaica no local. Em muitos casos, essas fronteiras que garantam a eficiência energética não existem, e, se a electricidade exportada fosse contabilizada, eram alcançados valores de EP negativos.

Os cálculos de EP com estes três métodos estão resumidos nas Tabelas 6 e 7, onde também são incluídos os casos de aquecimento urbano e de gás natural, e o cálculo é realizado com o PEF total e não renovável e com os coeficientes de CO2. Se forem utilizados PEF não renováveis, EP representa um indicador de energia primária não renovável e o cálculo está em conformidade com a metodologia definida na norma geral do EPB EN ISO 52000-1:2017. No entanto, com o PEF total, o cálculo realizado não representa o cálculo da energia primária total na acepção da norma geral, uma vez que a electricidade fotovoltaica e o calor ambiente de uma bomba de calor não estão incluídos no valor de EP. Neste caso, o cálculo da energia primária total é concluído para o cálculo do indicador apenas da energia fornecida ao local, ou seja, da energia importada/adquirida, o que está em conformidade com as definições e os princípios da EPBD, conforme discutido na secção 3. Cálculo da energia primária total na EPBD revista. As emissões operacionais de gases com efeito de estufa também são calculadas a partir da energia fornecida ao local – neste caso, a energia fotovoltaica e o calor ambiente não são um problema, porque estes não causam CO2 operacional.

Os resultados das Tabelas 6 e 7 mostram que os valores de EP dependem fortemente da abordagem de cálculo. Nos climas continental/oceânico e mediterrânico, os valores dos indicadores de EP podem ser negativos se a energia exportada (produção total) for incluída no cálculo. O clima nórdico apresenta os valores mais elevados, que permanecem todos positivos, mas diferem até um factor de 13. No caso da PE não renovável e das emissões operacionais de gases com efeito de estufa, a bomba de calor ar-água e o aquecimento urbano fornecem os valores mais baixos do indicador de EP, claramente seguidos da caldeira a gás. No caso da PE total, no entanto, a caldeira a gás proporciona melhores resultados do que o aquecimento urbano, mas é automaticamente excluída pelo requisito ZEB de não se utilizarem combustíveis fósseis no local.

7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A EPBD segue o princípio da eficiência em primeiro lugar, o que significa que a energia primária total, incluindo tanto a energia primária renovável como a energia primária não renovável, deve ser minimizada. No entanto, no contexto da utilização de energia em edifícios, é importante distinguir a energia ambiente e a produção de energia renovável no local, que não causam emissões operacionais de CO2, da energia fornecida ao local, que consiste em produtos energéticos finais adquiridos.

Estes produtos energéticos (electricidade da rede, combustíveis, aquecimento urbano e arrefecimento urbano), se forem parcialmente baseados em energias não renováveis, provocam emissões operacionais de CO2 que devem ser minimizadas. Uma vez que a utilização de energia renovável produzida no local reduz a quantidade de energia fornecida ao local, esta energia renovável no local não deve ser adicionada ao valor de EP. Por conseguinte, a energia renovável produzida no local não deve ser considerada um vector de energia fornecido no cálculo do indicador de EPtot.

O cálculo da energia primária não está explicitamente definido na EPBD, deixando muitas opções e margem de interpretação na aplicação a nível nacional. No presente documento, propõe-se calcular o valor de EP com base na energia primária total com uma das duas opções alternativas indicadas na secção 3. Cálculo da energia primária total na EPBD revista, que proporcionarão o mesmo resultado. Pode ser utilizada uma fronteira de avaliação do edifício como apresentada na Figura 1 com matriz de exclusão (Tabela 1) dos fluxos de energia, ou uma fronteira complementar do local como a da Figura 2 que contabilize a energia fornecida e exportada através da fronteira. Embora a Figura 1 e a Tabela 1 sigam a norma geral do EPB EN ISO 52000-1, para a EPBD revista seria mais prático utilizar a abordagem da Figura 2 com um cálculo energético simples através da fronteira. Em ambas as opções, a energia solar e a energia ambiente no local não são tidas em conta no cálculo do indicador de energia primária total, uma vez que o objectivo é calcular a energia primária total e a não renovável e o CO2 operacional dos produtos energéticos fornecidos ao local.

Para mudança dos requisitos mínimos nacionais de desempenho energético, ou seja, para se estabelecer uma escala de classificação ZEB, NZEB, renovação profunda e certificação de desempenho energético com base na energia primária total, o método proposto na secção 3. Cálculo da energia primária total na EPBD revista pode ser implementado através de três opções possíveis, descritas de seguida.

1. As energias renováveis no local (tanto a produção no local como a energia ambiente) não são consideradas energia fornecida – os PEF só serão aplicados à energia fornecida e exportada através de vectores de energia, tal como proposto na fronteira do sistema na Figura 2.

2. As energias renováveis no local são consideradas como energia fornecida, mas com um factor de energia primária não renovável nulo no que respeita às necessidades totais de energia primária, como indicado na Figura 1 e na Tabela 1.

3. O cálculo da energia primária limita-se apenas à energia final importada/adquirida.

Todas estas três opções produzem os mesmos resultados e evitam que as energias renováveis produzidas e utilizadas no local sejam adicionadas ao valor de EPtot.

Isto aplica-se a:

• produção fotovoltaica no local ou electricidade eólica que é utilizada no local (no mesmo momento ou após armazenamento no local);

• energia ambiente ou geotérmica utilizada numa bomba de calor local;

• solar térmico no local.

Caso contrário, ao calcular a energia primária total, estas tecnologias poderiam ser punidas em comparação com tecnologias alternativas, como uma caldeira convencional, porque a energia primária total, por si só, não distingue entre componentes não renováveis e renováveis. Um limiar para o EP total pode ser satisfeito utilizando uma quantidade menor de fontes de energia não renováveis em relação às renováveis. Felizmente, a exigência do ZEB de não usar combustíveis fósseis no local evita esse problema. No que diz respeito ao mercado de certificados de desempenho energético de edifícios, que actualmente se baseia principalmente no indicador de energia primária não renovável, o procedimento proposto aumenta ligeiramente os valores do certificado desempenho energético para o mesmo edifício, o que representa uma alteração muito pequena em comparação com a situação em que as energias renováveis no local serão adicionadas ao valor de EPtot.

Actualmente, os EM utilizam factores de ponderação ou PEF não renováveis ou totais. Na mudança para a energia primária total, deve notar-se que o PEF total não pode reconhecer os benefícios do aquecimento e arrefecimento urbanos e a influência positiva das energias renováveis. Um exemplo clássico de uma bomba de calor num edifício ou numa instalação de aquecimento urbano deverá conduzir ao mesmo desempenho energético se a eficiência for a mesma e não houver perdas na rede, mas tal não é o caso se forem utilizados factores totais de energia primária, que não podem, por definição, ser inferiores a um. Este problema ilustra a necessidade de um indicador de CO2 operacional, que é introduzido pela EPBD como um requisito ZEB.

Notas:

[1] Note-se que tal pode depender das práticas nacionais em que os contadores de energia são instalados.

[2] A definição é idêntica à da Directiva (UE) 2023/2413 (RED alterada).

[3] Note-se que, para os requisitos da EPBD presentes no artigo 11.º, n.º 2 e n.º 3, a energia ambiente não é tida em conta no indicador de energia primária total. No entanto, no requisito n.º 7 do mesmo artigo e na definição da RED para a energia proveniente de fontes renováveis, a energia ambiente é incluída na cobertura da utilização anual de energia primária total.

Referências:

Energy Efficiency Directive 2023, https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficiency-targets-directive-and-rules/energy-efficiency-directive_en

Energy Performance of Buildings Directive, https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings/energy-performance-buildings-directive_en

https://www.europarl.europa.eu/doceo/document/TA-9-2024-0129_EN.html

EN ISO 52000-1:2017 Energy performance of buildings, Overarching EPB assessment, Part 1: General framework and procedures

European Commission, Directorate-General for Energy, Amann, C., Torres, P., Boldizsár, G. et al., Support to primary energy factors review

(PEF) – Final report, Publications Office of the European Union, 2023, https://data.europa.eu/doi/10.2833/404077

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https://www.eea.europa.eu/en/analysis/indicators/greenhouse-gas-emission-intensity-of-1

JRC 2023, Maduta, C., Melica, G., D’agostino, D., Bertoldi, P., Defining Zero-Emission Buildings. Support for the revision of the Energy Performance of Buildings Directive, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2023, doi:10.2760/107493, JRC129612

Karl-Villem Võsa, Jarek Kurnitski, Clemens Felsmann, Andrea Meinsenbach, Michele De Carli, Massimo Tonon and Mikko Iivonen. National methods fail to calculate standardized deep renovation concepts for dwellings: Benchmarking in three EU climates. E3S Web of Conferences 396, 04014 (2023), DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202339604014

Renewable Energy Directive, https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/renewable-energy-directive-targets-and-rules/renewable-energy-directive_en

Support to Primary Energy Factors Review (PEF), PEF Report. European Commission, DG ENER study by Trinomics, 2022

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