Impacto de um envidraçado eletrocrómico no conforto térmico e visual em Portugal

Este artigo foi originalmente publicado na edição nº 155 da Edifícios e Energia (Setembro/Outubro 2024).

Com os envidraçados convencionais a contribuírem, muitas vezes, para o desconforto térmico e visual, a investigação a propósito de tecnologias inovadoras alternativas avoluma-se. Neste estudo, a análise incide sobre o impacto dos envidraçados eletrocrómicos no conforto dos ocupantes de um escritório em diferentes zonas climáticas do país.

Autores: Henriqueta Teixeira [a], M. Glória Gomes [a], A. Moret Rodrigues [a] e Daniel Aelenei [b,c]

[a] CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa

[b] UNINOVA-CTS, Faculdade de Ciências e Tecnologia,
Universidade NOVA de Lisboa, [c] LASI.

INTRODUÇÃO

Os envidraçados convencionais de edifícios são frequentemente responsáveis por trocas de calor significativas que resultam em desconforto térmico. O conforto visual também é influenciado devido à transmitância visível elevada dos envidraçados convencionais, que pode resultar na transmissão excessiva de iluminação natural e causar problemas de encandeamento. A utilização de sistemas de sombreamento [1] permite melhorar o desempenho de envidraçados. No entanto, estes sistemas podem bloquear a vista para o exterior, o que pode ser considerado desvantajoso pelos ocupantes.

Com a ambição de promover edifícios de balanço energético nulo, e tendo em conta a tendência arquitetónica de edifícios com grandes áreas de envidraçado, a investigação de tecnologias inovadoras de envidraçados tem crescido nos últimos anos, resultando em envidraçados inteligentes capazes de reagirem a estímulos e de se adaptarem às condições do ambiente em que se encontram, contrabalançando múltiplos requisitos de desempenho.

Os envidraçados eletrocrómicos [2], enquanto envidraçados inteligentes, alteram de forma reversível as suas propriedades óticas, aumentando/diminuindo o seu nível de escurecimento em resposta à presença/ ausência de um estímulo elétrico. Na presença de uma tensão elétrica, o nível de escurecimento do vidro aumenta, revertendo-se a alteração cromática na ausência desta tensão.

Estudos científicos [3-5] sobre o desempenho de envidraçados eletrocrómicos concluem que estes reduzem as necessidades energéticas de arrefecimento, promovem o conforto térmico e possibilitam a redução de encandeamento sem prejudicar a iluminação natural dos espaços, comparativamente com os envidraçados tradicionais, principalmente em climas quentes com níveis de radiação elevados. Os estudos existentes tendem a focar-se no aspeto energético ou então investigam as condições de conforto térmico e visual de forma isolada através da utilização de métricas específicas. No entanto, dado que as pessoas passam grande parte do tempo no interior de edifícios, torna-se extremamente importante analisar o impacto desta tecnologia de envidraçado no conforto dos ocupantes. Assim, com vista a complementar a investigação existente, o presente estudo tem como objetivo analisar o impacto de um envidraçado eletrocrómico no conforto de um espaço de trabalho (escritório) em diferentes zonas climáticas de Portugal.

METODOLOGIA

A Figura 1 apresenta uma esquematização da metodologia adotada no presente estudo. Como caso de estudo foi considerado um escritório para investigar o impacto de um envidraçado eletrocrómico no conforto térmico e visual, comparativamente com um envidraçado incolor. O modelo 3D do escritório foi construído no programa SketchUp com o plug-in OpenStudio. Os programas Optics e Window foram utilizados para determinar as propriedades térmicas e óticas dos envidraçados. O modelo de simulação dinâmica foi desenvolvido no software EnergyPlus, tendo sido calibrado com dados experimentais [6]. As percentagens de horas laborais anuais com conforto térmico e conforto visual foram estimadas através da simulação na presença das duas soluções de envidraçado. Foram contemplados os ficheiros climáticos das cidades de Bragança, Lisboa e Faro, considerados representativos de diferentes zonas climáticas de Portugal, para analisar a influência do clima no desempenho dos envidraçados.

O espaço de trabalho individual adotado como caso de estudo situa-se no último piso de um pavilhão universitário (Figura 2a) do Instituto Superior Técnico, no campus Alameda, em Lisboa, apresentando uma área de pavimento de 19 m2. A fachada é orientada a sudeste, com um rácio de envidraçado (Aenvidraçado/Afachada) de 81 %. O ocupante pode controlar a temperatura interior através de um sistema de ar condicionado com um set-point de temperatura predefinido (22 ± 2 °C).

As configurações dos envidraçados analisados neste estudo (duplo incolor e duplo eletrocrómico) são apresentadas na Figura 2b. O envidraçado eletrocrómico é constituído por um pano de vidro laminado pelo exterior que integra o sistema eletrocrómico, uma caixa de ar e um pano de vidro incolor interior. O envidraçado convencional é constituído por dois panos de vidro incolor separados por uma caixa de ar.

As propriedades térmicas e óticas dos envidraçados analisados são apresentadas no Quadro 1. Como esperado, o envidraçado eletrocrómico apresenta valores inferiores em todas as propriedades, em comparação com o envidraçado incolor. O fator solar é significativamente reduzido com o escurecimento do envidraçado eletrocrómico. O mesmo pode ser observado no que diz respeito às transmitâncias solar e visível, que atingem valores significativamente baixos. O envidraçado eletrocrómico reduz quase totalmente a transmissão de radiação ultravioleta pelo envidraçado, o que pode ter efeitos positivos na saúde do ocupante e na durabilidade dos materiais no interior do escritório.

As propriedades do envidraçado incolor foram utilizadas na calibração do modelo de simulação, juntamente com o modelo 3D e o ficheiro climático de Lisboa editado com dados meteorológicos recolhidos experimental[6], tendo-se obtido valores de NMBE (–11.2-0.5 %) e Cv(RMSE) (4.4-22.6 %) [7] abaixo dos valores de referência de calibração.

Após calibração, o modelo foi utilizado para simular o conforto térmico e visual na presença de ambos os envidraçados. O conforto térmico foi avaliado através da percentagem de horas laborais (das 9 h às 18 h) anuais com conforto e desconforto de acordo com a legislação portuguesa [8], do modelo adaptativo do ASHRAE 55 (limite de 80 % de aceitabilidade) [9] e do índice PMV [10]. O conforto visual foi avaliado através da percentagem de horas laborais anuais com níveis de conforto e desconforto de iluminância, de acordo com o índice UDI [11], e com níveis de conforto e desconforto de encandeamento, de acordo com o índice DGI [12]. A iluminação artificial foi considerada nas simulações do conforto térmico, uma vez que contribui para os ganhos internos do escritório, tendo sido atribuído o controlo continuous off com o set-point de 500 lx no centro da secretária. As simulações do conforto térmico segundo a legislação portuguesa e o modelo adaptativo do ASHRAE 55 foram executadas em regime livre (sem ar condicionado). O sistema de ar condicionado foi assumido como estando em funcionamento durante as horas laborais com um intervalo de temperatura de conforto entre 20 e 24 °C, nas simulações do conforto térmico com o índice PMV.

Foram atribuídos dois tipos de controlo distintos ao envidraçado eletrocrómico: nível de encandeamento na secretária (controlo I) e nível de temperatura do ar interior (controlo II). Com o controlo I, o envidraçado aumenta o seu nível de escurecimento quando o índice DGI é superior a 22 durante o horário laboral, diminui o nível de escurecimento quando o índice DGI é inferior a 22 durante o horário laboral, mantém o nível transparente fora do horário laboral. Com o controlo II, o envidraçado aumenta o seu nível de escurecimento quando a temperatura interior é superior a 24 °C durante o horário laboral, mantém o nível de escurecimento quando a temperatura interior está entre 20 e 24 °C durante o horário laboral, diminui o nível de escurecimento quando a temperatura é inferior a 20 °C durante o horário laboral, e é mantido no estado transparente fora do horário laboral.

De forma a compreender-se melhor a influência do clima no desempenho dos envidraçados, consideraram-se os ficheiros climáticos de três cidades em Portugal, representativas de diferentes zonas climáticas: Bragança (zona I3 e V2), Lisboa (zona I1 e V2) e Faro (zona I1 e V3). A Figura 3 apresenta os valores de temperatura mensal média exterior e de radiação solar mensal acumulada numa superfície vertical orientada a sul das três cidades.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O comportamento dinâmico do envidraçado eletrocrómico depende dos níveis de encandeamento e temperatura no interior do escritório, ou seja, depende das condições climáticas da localidade e será diferente em cada cidade. A Figura 4 contém a percentagem de horas laborais com níveis específicos de escurecimento do envidraçado eletrocrómico nas três cidades. O comportamento dinâmico com o controlo I é praticamente igual nas três cidades, com o envidraçado no estado transparente durante a quase totalidade (97-99 %) das horas laborais. Tendo em conta que foram realizadas simulações com e sem a operação do ar condicionado e que este influencia o comportamento dinâmico do envidraçado eletrocrómico controlado através do nível de temperatura do ar interior (controlo II), ambos os cenários (HVAC desligado/ligado) são ilustrados para este controlo. A operação do ar condicionado reduz ligeiramente as horas laborais com o envidraçado escurecido. Dado apresentar níveis de temperatura e radiação inferiores, a cidade de Bragança apresenta as percentagens de horas laborais com o envidraçado transparente mais elevadas(34 % sem HVAC e 36 % com HVAC). Em contrapartida, as menores percentagens (3 % sem HVAC e 5 % com HVAC) de horas laborais com o envidraçado incolor são obtidas em Faro.

• Conforto térmico

Os resultados do conforto térmico analisado através dos intervalos de conforto da legislação portuguesa encontram-se na Figura 5a. Todas as cidades apresentam percentagens elevadas de horas laborais com níveis excessivos de temperatura na presença de cada envidraçado, particularmente Faro e Lisboa, que têm temperaturas exteriores mais altas e níveis de radiação mais elevados ao longo do ano. Nas três cidades, o envidraçado incolor está associado às menores percentagens de horas laborais com conforto térmico, particularmente em Faro (0 %) e Lisboa (1 %). O envidraçado eletrocrómico promoveu condições de conforto térmico, na presença de ambos os controlos, mas aumentou a ocorrência de níveis de temperatura baixos. O controlo II apresentou um melhor desempenho, aumentando a percentagem de horas laborais com conforto térmico até 23 % (Bragança), 24 % (Lisboa) e 15 % (Faro). A maior diferença de percentagens de horas laborais com conforto entre o envidraçado incolor e o envidraçado eletrocrómico com o controlo II foi obtida em Lisboa (+23 %).

A Figura 5b apresenta os resultados do conforto térmico analisado através do modelo adaptativo do ASHRAE 55. Considerando este standard, a ocorrência de temperaturas baixas é insignificante. Nas três cidades, a presença do envidraçado incolor resultou na quase totalidade (99-100 %) de horas laborais com níveis de temperatura excessivos. O melhor desempenho foi novamente obtido com o envidraçado eletrocrómico com o controlo II, que permitiu atingir 17 % (Bragança), 30 % (Lisboa) e 23 % (Faro) de horas laborais com conforto térmico. A maior discrepância entre o desempenho do envidraçado incolor e o do envidraçado eletrocrómico foi observado na cidade de Lisboa, onde foi obtido um aumento de 29 % de horas laborais com conforto com o controlo II.

Os resultados obtidos para a análise do conforto térmico utilizando o índice PMV encontram-se na Figura 5c. Considerando este índice, a distribuição de percentagens de horas laborais entre os vários intervalos (conforto e desconforto) é significativamente diferente da obtida pela utilização das métricas anteriores, com os vários envidraçados a apresentarem percentagens significativas de horas laborais com conforto térmico nas três cidades. Esta discrepância entre resultados deve-se à operação do sistema de ar condicionado quando se considera o índice PMV, aumentando, assim, significativamente a ocorrência de níveis de temperatura confortáveis. A percentagem de horas laborais com níveis excessivos de temperatura é superior com o envidraçado incolor. Em contrapartida, a ocorrência de horas laborais com temperaturas baixas é maior com o envidraçado eletrocrómico, particularmente com o controlo II. Foram obtidas horas laborais com conforto térmico em maior percentagem com o envidraçado eletrocrómico com o controlo I (Bragança – 70 %, Lisboa – 93 %, Faro – 97 %), seguido pelo mesmo envidraçado com controlo II (Bragança – 65 %, Lisboa – 84 %, Faro – 89 %). A maior discrepância entre percentagens de horais laborais com conforto foi obtida no caso de Faro com o envidraçado eletrocrómico com o controlo I, que permitiu um aumento de 21 %, comparativamente ao envidraçado incolor.

A Figura 6a apresenta os resultados das condições de conforto visual analisadas através da percentagem de horas laborais anuais com iluminância insuficiente, útil e excessiva, de acordo com o índice UDI. O envidraçado incolor fornece níveis de iluminância úteis durante grande parte do horário laboral (66-69 %) nas três cidades. O comportamento dinâmico do envidraçado eletrocrómico com o controlo I possibilitou aumentar a ocorrência de níveis de iluminância útil, atingindo 79 %, 74 % e 78 % nas cidades de Bragança, Lisboa e Faro, respetivamente. O facto de o envidraçado eletrocrómico com o controlo II se encontrar mais tempo nos estados escurecidos do que com o controlo I resultou numa diminuição significativa da percentagem de horas laborais com iluminância útil (12-36 %) e num aumento da percentagem de horas laborais com iluminância insuficiente (61-84 %). Este aumento da ocorrência de níveis de iluminância insuficiente é mais significativo em Bragança. O aumento mais significativo de horas laborais com iluminância útil foi obtido com o envidraçado eletrocrómico com o controlo I (78 %), comparativamente com o envidraçado incolor (67 %), em Faro.

A percentagem de horas laborais anuais com níveis de encandeamento impercetível, percetível e aceitável, de acordo com o índice DGI, encontram-se na Figura 6b. A percentagem de horas laborais com níveis aceitáveis de encandeamento, nas três cidades, é desprezável. Não foram obtidos níveis desconfortáveis nem intoleráveis na presença de qualquer envidraçado. O envidraçado incolor está associado a percentagens elevadas (67-79 %) de encandeamento percetível em todas as cidades. O envidraçado eletrocrómico possibilitou a redução da ocorrência de encandeamento percetível em todas as cidades, particularmente com o controlo II (6-15 %). Esta redução foi menos significativa com o controlo I porque o envidraçado eletrocrómico se encontra no estado transparente durante mais tempo. Os níveis de encandeamento obtidos na cidade de Bragança são mais baixos do que os obtidos em Lisboa e Faro, exceto quando se considera o envidraçado eletrocrómico com o controlo II, que possibilitou uma redução mais significativa nas cidades de Faro e Lisboa.

CONCLUSÕES

As seguintes conclusões podem ser retiradas acerca do impacto do envidraçado eletrocrómico (controlo I – encandeamento, controlo II – temperatura do ar interior) no conforto térmico e visual do escritório do caso de estudo em diferentes zonas climáticas de Portugal:

• Os níveis de temperatura excessiva foram reduzidos na presença do envidraçado eletrocrómico em todas as cidades, mas a ocorrência de temperaturas baixas aumentou (entre 5 % e 15 %) em Bragança. O controlo II foi mais eficaz a promover condições de conforto térmico considerando um regime livre, atingindo percentagens de horas laborais com conforto de 30 % na cidade de Lisboa e de 23 % nas cidades de Bragança e Porto. Em contrapartida, o controlo I apresentou um melhor desempenho na presença do ar condicionado, possibilitando alcançar 97 %, 93 % e 70 % de horas laborais com conforto térmico em Faro, Lisboa e Bragança, respetivamente.

• Foi obtida uma maior eficiência com o controlo I na gestão da transmissão de radiação visível através do envidraçado, originando um aumento entre 8 % e 11 % das horas laborais com níveis de iluminância útil nas três cidades. No entanto, a redução de encandeamento foi mais eficaz com o controlo II, fornecendo níveis de encandeamento impercetível durante 84-94 % das horas laborais, nas três cidades.

Apesar de o envidraçado eletrocrómico ter promovido condições de conforto, em comparação com o envidraçado incolor, é importante ter em conta outros fatores na instalação deste envidraçado inteligente, tais como a componente económica, dado o preço médio de envidraçados eletrocrómicos ser significativamente superior ao de envidraçados estáticos.

AGRADECIMENTOS

Os autores desejam expressar o seu agradecimento à unidade de investigação CERIS do IST-ID e à Fundação para a Ciência e a Tecnologia pelo financiamento da bolsa de doutoramento da primeira autora PD/BD/150576/2020 (DOI: 10.5449/PD/BD/150576/2020) e pelo financiamento UIDB/04625/2020 da unidade de investigação CERIS (DOI: 10.54499/UIDB/04625/2020). Os autores estendem o seu agradecimento à empresa IMPERSOL pelo apoio técnico.

Referências
[1] M.G. Gomes, A.J. Santos, A.M. Rodrigues, Solar and visible optical properties of glazing systems with venetian blinds: Numerical, experimental and blind control study, Build Environ 71 (2014) 47–59. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2013.09.003.

[2] M. Casini, Active dynamic windows for buildings: A review, Renew Energy 119 (2018). https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.12.049.

[3] N. DeForest, A. Shehabi, S. Selkowitz, D.J. Milliron, A comparative energy analysis of three electrochromic glazing technologies in commercial and residential buildings, Appl Energy 192 (2017). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.02.007.

[4] Y. Li, K.W. Shah, W. Li, T. Xiong, Experimental investigation on indoor thermal environment improvement and energy-saving of electrochromic window under Singapore’s tropical climate, Journal of Building Engineering 73 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106779.

[5] S. Jain, C. Karmann, J. Wienold, Behind electrochromic glazing: Assessing user’s perception of glare from the sun in a controlled environment, Energy Build 256 (2022). https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111738.

[6] H. Teixeira, M. da Glória Gomes, A. Moret Rodrigues, J. Pereira, In-Service Thermal and Luminous Performance Monitoring of a Refurbished Building with Solar Control Films on the Glazing System, Energies (Basel) 14 (2021) 1388. https://doi.org/doi.org/10.3390/en14051388.

[7] H. Teixeira, M. Glória Gomes, A. Moret Rodrigues, D. Aelenei, Assessment of the visual, thermal and energy performance of static vs thermochromic double-glazing under different European climates, Build Environ 217 (2022) 109115. https://doi.org/10.1016/J.BUILDENV.2022.109115.

[8] Order 6476-H/2021, Diário Da República (2021).

[9] ASHRAE, ASHRAE Standard 55-2017: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, Am. Soc Heating Refrig. Air-Conditioning Eng., Atlanta, GA, USA, 2017.

[10] BS EN 16798, BS EN 16798 – Energy performance of buildings. Ventilation for buildings, (2019).

[11] J. Mardaljevic, M. Andersen, N. Roy, J. Christoffersen, Daylighting metrics: I there a relation between useful daylight illuminance and daylight glare probability?, in: First Building Simulation and Optimization Conference, Loughborough, UK, 2012: pp. 189–196.

[12] R.G. Hopkinson, Glare from daylighting in buildings, Appl Ergon 3 (1972). https://doi.org/10.1016/0003-6870(72)90102-0.

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