Autores: António M. M. Raimundo, Universidade de Coimbra, Departamento de Engenharia Mecânica, FCTUC, e A. Virgílio M. Oliveira, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, Departamento de Engenharia Mecânica, IPC
A Organização Mundial da Saúde (OMS) inclui as ondas de calor no grupo dos desastres naturais mais perigosos. Alerta ainda que estes eventos não recebem a devida atenção pelo facto de os seus efeitos não serem imediatamente óbvios [¹].
Uma onda de calor (OC) pode ocorrer em qualquer altura do ano. Embora tenham sempre algum tipo de impacto nefasto, as que ocorrem no verão são as mais perniciosas devido ao valor muito elevado que a temperatura do ar pode atingir. Uma OC que ocorra em período estival leva frequentemente a um acentuar da carga nos serviços de saúde, a um incremento do número de óbitos e a um forte aumento do consumo de água e de energia; este último associado às enormes cargas térmicas de arrefecimento que os equipamentos de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) têm de remover do interior dos edifícios.
No âmbito desta contribuição, procede-se à caracterização das condições climáticas associadas a uma OC, relaciona-se a sua probabilidade de ocorrência com a atual situação de um ambiente sujeito a alterações climáticas, detalham-se as OC ocorridas em Portugal continental nos primeiros 21 anos do século XXI e comparam-se, para dois edifícios residenciais típicos (um apartamento e uma moradia isolada), as temperaturas do ar no interior e as necessidades de energia em situação de OC estival e sem OC. Numa perspetiva complementar, face ao elevado excesso de óbitos ocorridos durante a OC de julho-agosto de 2003, efetua-se uma análise mais detalhada deste evento.
Ondas de calor e alterações climáticas
Admite-se que ocorre uma OC quando um determinado limite de temperatura exterior é ultrapassado durante um período de tempo considerável, não existindo uma definição universal para este fenómeno. No entanto, a Organização Meteorológica Mundial (OMM) considera que ocorre uma OC quando, num intervalo de pelo menos cinco dias consecutivos, a temperatura máxima diária é superior em, pelo menos, 5 ºC ao correspondente valor médio diário nesse local e dia do ano durante o período de referência. Por sua vez, o Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) admite um período de seis dias consecutivos; assim, de acordo com o IPMA, “considera-se que ocorre uma onda de calor quando, num intervalo de pelo menos seis dias consecutivos, a temperatura máxima diária é superior em, pelo menos, 5 ºC ao correspondente valor médio diário nesse local e dia do ano durante o período de referência” [2]. No âmbito do presente trabalho, define-se OC com base no critério do IPMA.
De acordo com a OMM, o clima é caracterizado pelos valores médios dos vários elementos climáticos num período de 30 anos, designados por “normais climatológicos” [2]. Assim, os “normais climatológicos” correspondem a apuramentos estatísticos em períodos de 30 anos, que começam no primeiro ano de cada década. O período atualmente considerado como referência é o compreendido entre 1971-2000. O Boletim Climatológico de 2021 mostra que, no século XXI, a maioria dos anos apresenta um desvio positivo da temperatura média em relação à sua normal, constituindo os anos de 2001, 2002, 2008 e 2012 as únicas exceções [3].
O aquecimento global como consequência das alterações climáticas é um fenómeno “quase” unanimemente aceite pela comunidade científica e pela população em geral. Por sua vez, a OMS realçou que a frequência e a intensidade das OC irão aumentar no século XXI, destacando ainda que, entre os anos de 2000 e 2016, o número de pessoas expostas a OC aumentou em cerca de 125 milhões [1]; por sua vez, o Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas (PIAC) antecipou a ocorrência, no futuro próximo, de eventos climáticos mais extremos e mais severos [4].
Ondas de calor em Portugal nos primeiros 21 anos do século XXI
Entre os anos de 2001 e 2021 ocorreram, em Portugal continental, 74 ondas de calor. A Figura 1a) ilustra a sua frequência absoluta e evidencia que, nos anos de 2001, 2002, 2004, 2007 e 2008, não houve qualquer registo de OC, enquanto, em 2009, 2015, 2017 e 2020, ocorreram sete OC; seguem-se os anos de 2011, 2012, 2016 e 2018 com cinco OC. Após 2009, pelo menos três OC foram registadas anualmente, constatando-se a curiosidade de o ano de 2021 ser aquele que apresenta o menor número de ocorrências no período 2009-2021 e o único em que aconteceu uma OC em dezembro. Realça-se que os anos de 2001, 2002 e 2008 apresentam um desvio negativo da temperatura em relação à correspondente “normal climatológica”, apresentando também a ausência de OC.
A Figura 1b) mostra a distribuição mensal das 74 OC, salientando-se que, quando uma OC se iniciou num mês e terminou no seguinte, se considerou para efeitos desta contabilidade apenas o mês de início. A maior frequência de OC ocorreu nos meses de maio e de agosto, com 13 eventos cada. Junho, com 11 OC, e julho, com 10, ocupam as segunda e terceira posições. Constata-se assim que, em Portugal continental, os meses de maio, junho, julho e agosto são os mais propícios à ocorrência deste tipo de fenómenos, correspondendo ao período final da primavera e ao verão.
Destaque ainda para as OC ocorridas em novembro e dezembro (Figura 1b). Em novembro, verificaram-se duas OC, a primeira em 2015 (6-14 de novembro) e a segunda em 2017 (16-24 de novembro). O ano de 2015 foi o sétimo mais quente desde 1931 e o segundo desde o ano de 2000; adicionalmente, novembro de 2015 foi muito quente e seco, tendo apresentado o terceiro valor mais elevado da temperatura média dos 20 anos anteriores, o quinto valor mais elevado da temperatura máxima desde 1931 e o maior dos 34 anos anteriores (28.5 ºC, medido na vila de Pegões). O ano de 2017 foi o segundo mais quente desde 1931 e o outono desse ano foi o quinto mais quente desde 2000, com uma temperatura do ar máxima de 26.2 ºC, também medido na vila de Pegões. Por sua vez, a OC de dezembro ocorreu no ano 2021, tendo sido um mês considerado muito quente e seco e o quarto dezembro mais quente desde 1931; registou-se, ainda, um novo extremo para a temperatura máxima em dezembro em Portugal continental desde 1941, com um valor de 26.4 ºC (Zambujeira).
A Figura 1a) mostra que no ano 2009 e seguintes ocorreram, todos os anos, pelo menos três OC, período em que ocorreram aproximadamente 91 % (67/74) das OC do século XXI. Estes valores evidenciam uma mudança climática em Portugal continental em termos de ocorrência de OC, traduzida pela ocorrência frequente deste fenómeno adverso.
Onda de calor de julho-agosto de 2003
A OC mais prolongada que ocorreu em Portugal continental desde 1941 iniciou-se em 29 de julho e terminou em 15 de agosto de 2003 [3]. Durou 18 dias e, embora tenha ocorrido em todo o país, afetou com mais intensidade o interior. A Figura 2a) ilustra a distribuição geográfica da OC de 2003 e a Figura 2b) mostra, para esta OC, as temperaturas máximas diárias medidas nas estações meteorológicas das 18 capitais de distrito de Portugal continental.
Dos 339 valores apresentados na Figura 2b), aproximadamente 21 % (72 valores) então entre 30 ºC e 35 ºC, enquanto cerca de 56 % (190 valores) são iguais ou superiores a 35 ºC. O valor mais elevado registado numa capital de distrito foi de 45.4 ºC (Beja, 1 de agosto); no entanto, o valor mais elevado registado em Portugal continental foi de 47.3 ºC (1 de agosto, Amareleja, Beja), valor que, ainda hoje, representa o recorde nacional. As temperaturas mínimas foram superiores a 25 ºC na maior parte do território e mesmo superiores a 30 ºC em alguns locais, nomeadamente em Proença-a-Nova (Castelo Branco), Caramulo (Viseu) e Portalegre³. Apesar de os valores da temperatura máxima serem, obviamente, mais relevantes, a importância de valores elevados da temperatura mínima não deve ser desprezada, nomeadamente em países como Portugal. Sete capitais de distrito (Beja, Bragança, Castelo Branco, Évora, Guarda, Vila Real e Viseu) registaram 16 dias consecutivos com temperaturas máximas superiores a 32 ºC; por sua vez, quatro capitais de distrito (Beja, Évora, Santarém e Setúbal) registaram temperaturas máximas superiores a 40 ºC durante, pelo menos, quatro dias consecutivos [5].
Uma OC tem impacto negativo sobre um conjunto muito vasto de fatores, nomeadamente sobre a produção de alimentos, o consumo de energia e a vida das pessoas. Entre eles, o excesso de óbitos, isto é, a diferença entre o número de óbitos ocorridos e o número de óbitos expectáveis, é, sem dúvida, o aspeto mais relevante a ter em atenção [1]. Para servir de base de comparação assume-se como número de óbitos expectáveis a média dos valores ocorridos nos anos 2000 e 2001, os quais apresentaram valores relativamente estáveis [5, 6].
No período entre 30 de julho e 15 de agosto de 2003 (17 dias), faleceram 6452 pessoas em Portugal continental (3490 do género feminino e 2962 do género masculino). O número de óbitos expectáveis para este período era de 4499 indivíduos, pelo que se verificou um excesso de 1953 óbitos [5]. Ou seja, o número de óbitos ocorridos foi cerca de 43 % superior ao número de óbitos expectáveis, o que é significativo. No entanto, observaram-se diferenças assinaláveis entre distritos, com Aveiro a apresentar o menor valor relativo de excesso de óbitos (18 %) e Portalegre com o maior (89 %). Em termos etários, 87 % das pessoas falecidas tinham mais de 75 anos.
Comportamento térmico e energético dos edifícios residenciais
Para se protegerem das muito altas temperaturas exteriores associadas a uma OC que ocorra no verão, as pessoas tendem a permanecer no interior dos edifícios. É ainda comummente aceite que o excesso de óbitos ocorrido durante uma OC estival afeta maioritariamente as pessoas mais idosas a morar na sua residência habitual, não estando a mesma equipada com um sistema de arrefecimento do ar. É, assim, interessante conhecer o comportamento térmico e energético dos edifícios residenciais durante uma OC estival.
Para representar os edifícios residenciais escolheu-se um apartamento e uma moradia isolada, típicos da realidade portuguesa. Para caracterizar o clima de Portugal continental, assumiu-se que estes edifícios estavam implantados num local pertencente a uma zona climática I2-V2, segundo o SCE. O comportamento térmico e energético dos edifícios foi obtido por simulação dinâmica recorrendo ao software SEnergEd [7].
O apartamento ocupa parte do 2.º andar de um edifício com cinco pisos e está compartimentado em vestíbulo, circulação, sala, cozinha, três quartos, duas instalações sanitárias e arrumo. Tem uma área líquida de pavimento de 109.40 m2, uma área bruta de pavimento 141.56 m2, um pé-direito de 2.62 m, um fator de forma de 0.28 m-1, e uma envolvente exterior com 58.6 m2 de elementos opacos e 21.3 m2 de envidraçados, os quais são sombreados pelas varandas do 3.º andar.
A moradia é constituída por três pisos (0, 1 e 2). No piso 0, existem apenas espaços destinados a arrumos e estacionamentos. O piso 1 divide-se em vestíbulo, circulação, cozinha, sala, escritório, dois quartos e duas instalações sanitárias. O piso 2, que constitui um aproveitamento do desvão de cobertura, é formado por uma zona em mezanino aberto para a sala, instalação sanitária e zona de arrumos. Tem uma área líquida de pavimento de 167.1 m2, uma área bruta de pavimento 212.6 m2 e um pé-direito médio ponderado de 2.96 m, um fator de forma de 0.79 m-1, e uma envolvente exterior com 343.4 m2 de elementos opacos e 49.7 m2 de envidraçados. Não existem elementos construtivos que promovam sombreamento significativo dos envidraçados.
Ambos os edifícios são constituídos pelas mesmas soluções construtivas opacas e transparentes, havendo apenas diferença em termos de espessura do isolamento térmico. Analisam-se duas situações alternativas, elementos opacos sem isolamento térmico e elementos opacos incorporando o isolamento térmico recomendado por Raimundo et al. [7] para edifícios localizados na zona climática I2-V2 (poliestireno expandido [EPS] localizado no meio ou pelo exterior da solução construtiva com 8 cm no caso do apartamento e 10 cm no caso da moradia). Apresenta-se na Tabela 1 o valor do coeficiente de transmissão térmica (U) das soluções construtivas opacas. Em todas estas opções, os elementos opacos têm uma massa superficial útil igual ou superior a 150 kg m-2, pelo que os edifícios possuem sempre inércia térmica forte.
Os envidraçados são os identificados por Raimundo et al. [8] como os economicamente mais vantajosos para a realidade portuguesa; uma janela protegida exteriormente por estores de réguas horizontais de plástico; com a janela a ser constituída por caixilharia em alumínio com corte térmico e vidro duplo (incolor de 6 mm + espaço de ar + incolor de 4 mm); com um coeficiente de transmissão térmica (U) e um fator solar (g┴) de Uw = 3.05 W m-2 K-1 e g┴w = 0.79, respetivamente, e de Uw = 1.56 W m-2 K-1 e g┴w = 0.05 com a proteção exterior ativada.
Apresentam-se na Figura 3 as temperaturas no exterior e no interior dos dois edifícios residenciais (apartamento e moradia isolada) na situação de ausência de um sistema de ar condicionado, para os casos de não existir uma OC e de ocorrência de uma OC equivalente à de julho-agosto de 2003. Nas figuras, os dias 205, 209, 227 e 230 correspondem, respetivamente, às 0 horas de 25 de julho, 0 horas de 29 de julho, 24 horas de 15 de agosto e 24 horas de 18 de agosto. Na ausência de OC, a temperatura no interior do apartamento raramente ultrapassa os 26 ºC e a influência do isolamento térmico dos elementos opacos é pouco significativa, promovendo apenas um pequeno atenuar da amplitude diária da temperatura. A existir OC, a temperatura no interior do apartamento permanece sempre elevada, chegando a atingir os 34 ºC, e a influência do isolamento térmico dos elementos opacos continua a ser pouco significativa, promovendo também apenas um pequeno atenuar da amplitude diária da temperatura.
Independentemente da situação, a temperatura no interior da moradia atinge valores superiores aos do apartamento e apresenta uma amplitude térmica diária muito mais acentuada, que se justifica pelo valor mais elevado do seu fator de forma (0.79 face a 0.28 m-1) e pelo não sombreamento dos envidraçados. Na ausência de OC, a temperatura no interior da moradia atinge com alguma frequência valores ligeiramente superiores a 26 ºC e a influência do isolamento térmico dos opacos é significativa, promovendo um forte atenuar da amplitude diária da temperatura. A existir OC, a temperatura no interior da moradia permanece sempre muito elevada, chegando a atingir os 38 ºC se os elementos opacos não possuírem isolamento térmico, o qual tem uma influência muito significativa, promovendo uma atenuação forte da amplitude diária da temperatura. É evidente que o desempenho térmico da moradia (isolada) é muito inferior ao do apartamento.
Apresenta-se na Figura 4 a potência térmica que é necessária retirar dos edifícios para os manter a uma temperatura abaixo de 26 ºC. Os valores estão normalizados por m2 de área útil do pavimento dos espaços climatizados. No caso do apartamento, na ausência de OC, as potências térmicas úteis de arrefecimento são muito baixas e a influência do isolamento térmico dos elementos opacos é residual. No caso da ocorrência da OC, as potências térmicas úteis de arrefecimento são muito superiores e a influência do isolamento térmico dos elementos opacos é relevante, quando comparadas com a situação de ausência de OC. Em todas as situações, as potências térmicas úteis de arrefecimento relativas à moradia são substancialmente mais elevadas do que as do apartamento. No caso da moradia, o isolamento térmico dos elementos opacos tem uma influência muito relevante, principalmente em situação de OC.
A Tabela 2 revela a quantidade de energia térmica que é necessária retirar dos edifícios para manter o ar interior a uma temperatura abaixo de 26 ºC, durante o período compreendido entre as 0 horas de 29 julho e as 24 horas de 15 de agosto. Os valores apresentados estão normalizados por m2 de área útil do pavimento dos espaços climatizados. Pelas razões expostas anteriormente, a moradia necessita sempre de muito mais energia para arrefecimento do que o apartamento e a influência do isolamento térmico dos elementos opacos é muito mais significativa. No caso da ocorrência de uma OC, ambos os edifícios requerem quantidades de energia para arrefecimento extremamente elevadas.
Nota final
Portugal é particularmente vulnerável à ocorrência de OC, as quais têm impactos muito significativos na economia e nas populações, e que se traduziram em sinais de alerta que têm sido ignorados. Assim, a monitorização contínua da ocorrência de OC e a definição de estratégias de mitigação dos seus efeitos representam, na opinião dos autores, um imperativo cada vez mais importante face às características do nosso clima, da idade da população e da capacidade da rede elétrica nacional.
Quando ocorre uma OC e a mesma se prolonga ao longo do tempo, as potências requeridas para arrefecimento e a energia consumida pelos equipamentos de ar condicionado atingem valores extremamente elevados, nomeadamente quando comparados com a situação de ausência de OC. Isto tem um efeito fortemente destabilizador da rede elétrica, conduzindo a quebras da potência disponível e podendo mesmo levar ao seu shutdown.
Referências
[1] World Health Organization (2022). Health topics, Heat-waves: risks and responses, Health and Global Environmental Change series, Nº2, https://www.who.int/health-topics/heatwaves#tab=tab_1.
[2] Instituto Português do Mar e da Atmosfera (2022). O que é a onda de calor (https://www.ipma.pt/pt/enciclopedia/clima/index.html?page=onda.calor.xml), Normais climatológicas (https://www.ipma.pt/pt/oclima/normais.clima).
[3] Instituto Português do Mar e da Atmosfera (2022). Boletins Climatológicos 2001-2021, https://www.ipma.pt/pt/publicacoes/.
[4] Intergovernmental Panel on Climate Change (2014). Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel On Climate Change, 151 IPCC.
[5] R. Calado, P.J. Nogueira, J. Catarino, E.J. Paixão, J. Botelho, M. Carreira & J.M. Falcão (2004). A Onda de Calor de agosto de 2003 e os seus efeitos sobre a mortalidade da população portuguesa, Revista Portuguesa de Saúde Pública 22(2), 7-20.
[6] DGS-INSA (2004). Onda de Calor de agosto de 2003: efeitos sobre a mortalidade da população portuguesa, Direção Geral de Saúde (DGS) e Instituto Nacional de Saúde Dr. Ricardo Jorge (INSA).
[7] A.M. Raimundo, N.B. Saraiva, A.V.M. Oliveira (2020). Thermal insulation cost optimality of opaque constructive solutions of buildings under Portuguese temperate climate, Building and Environment 182 (2020) 107107, doi:10.1016/j.buildenv.2020.107107.
[8] A.M. Raimundo, N.B. Saraiva, L.P. Dias, A.C. Rebelo (2021). Market-oriented cost-effectiveness and energy analysis of windows in Portugal, Energies 14 (2021) 3720, doi:10.3390/en14133720.
Este artigo foi originalmente publicada na edição nº140 da Edifícios e Energia (Março/Abril 2022)
As conclusões expressas são da responsabilidade dos autores.