Dynamic insulation as a strategy for net-zero energy buildings

Abstract

Atualmente, o consumo de energia nos edifícios representa cerca de 40% da necessidade total de energia primária na União Europeia (UE), assim como cerca de 36% das emissões de gases com efeito de estufa (GEE). Desta forma, “o setor dos edifícios” tem um potencial significativo em matéria de poupança de energia, e para o que isso pode representar em termos de redução de GEE, não só na construção de novos edifícios, mas também na renovação dos existentes. A sua importância é, por isso, fulcral para se atingir as metas 20-20-20 do Roadmap 2050 da UE. Como tal, a regulamentação lançada pela UE ao nível do desempenho energético dos edifícios tem vindo a incorporar um novo conceito: o de edifícios de balanço energético nulo ou quase nulo (nZEB ou NZEB). Este conceito baseia-se na cobertura do consumo de energia do edifício através de fontes de energia renovável, de produção local ou nas proximidades (nearby). No entanto, o primeiro passo para se atingir o objetivo pretendido consiste na implementação de medidas de eficiência energética que permitam reduzir as necessidades energéticas do edifício para um valor mínimo economicamente viável a ser colmatado por recurso a fontes de energia renovável. Ao nível da envolvente dos edifícios, o foco da legislação da UE consiste em atingir níveis de maior isolamento térmico e maior estanquicidade para reduzir o consumo de energético. Embora o aumento do nível de isolamento térmico contribua para diminuir as perdas de calor através das fachadas dos edifícios no Inverno, no Verão poderá ser desadequado pois restringirá o fluxo de calor quando se pretende extrair os ganhos de calor indesejados. Deste modo, os edifícios com isolamento térmico elevado têm um maior risco de sofrerem problemas de sobreaquecimento, uma vez que a temperatura interna responde mais rapidamente ao aumento dos ganhos solares e internos. Uma solução para esse problema poderá passar pela utilização de elementos de fachada com um coeficiente de transmissão térmica (U) variável, o que, por exemplo, permitiria “desligar/desconectar” o isolamento térmico durante a noite no Verão. A existência de um U variável, permitiria fazer uma gestão das trocas térmicas entre os ambientes interior e exterior de acordo com as temperaturas registadas. Para atingir esse fim, a aplicação de elementos ou sistemas de isolamento dinâmico/adaptativo aparece como uma possibilidade interessante. Estas soluções são alternativas ao convencional procedimento de aumentar a espessura de isolamento térmico para evitar as perdas térmicas, uma vez que apresentam um comportamento dinâmico permitindo uma maior flexibilidade térmica e energética dos edifícios. Em comparação com o isolamento “estático”, os elementos de isolamento dinâmico podem exibir parâmetros térmicos variáveis, como condutividade térmica e emissividade. Estes permitem que as fachadas dos edifícios sejam elementos responsivos em relação ao ambiente térmico exterior. Neste projeto, o objetivo principal foi o estudo do potencial da aplicação de elementos ou sistemas de isolamento dinâmico ao nível dos edifícios. Para tal, o projeto foi estruturado em várias etapas. O primeiro passo passou por fazer uma revisão bibliográfica dos elementos e sistemas que apresentassem um comportamento térmico dinâmico e que pudessem ser utilizados ao nível dos edifícios desempenhando a função de isolamento térmico. Após feita essa identificação, os elementos mais relevantes foram descritos e classificados de acordo com o mecanismo utilizado para obter um comportamento dinâmico (processos de transferência de calor: condução ou convecção) e a sua escala de atuação (macro, micro ou nano). Seguidamente, o próximo passo foi determinar como efetuar a simulação computacional do desempenho térmico dos elementos de isolamento dinâmico. Ao nível da simulação de parâmetros que variem ao longo do tempo, verificou-se que os vários tipos de software existentes apresentam bastantes limitações, uma vez que quando foram concebidos a dinamicidade das propriedades dos materiais não era uma questão central. Para fazer esse tipo de análise, concluiu-se que o EnergyPlus era o software mais adequado por apresentar maiores capacidades para a modelação de fachadas adaptativas. Para prever o desempenho de elementos de isolamento dinâmico, no EnergyPlus, podem ser utilizadas duas abordagens: a ClassList MovableInsulation e o grupo EnergyManagementSystem (EMS). Na primeira, a resistência térmica do elemento de isolamento é determinada em função de horários (schedules) que reproduzem a alteração da mesma em diferentes condições ao longo do tempo, sendo esta realizada num regime de post-processing. A segunda abordagem permite definir o comportamento de um dado elemento de isolamento dinâmico, ao longo da simulação, de acordo com determinados parâmetros físicos definidos como sensores (ex.: temperatura exterior, radiação incidente numa fachada, temperatura interior) Após serem detalhadas as abordagens existentes no EnergyPlus que podem ser utilizadas para simular estes elementos de isolamento dinâmico, foi feita uma análise comparativa de modo a concluir qual a abordagem que mais se adequa ao objetivo pretendido. Embora o EMS seja mais realista, uma vez que permite fazer um controlo ao longo da simulação, apresenta algumas limitações que fazem com que não seja possível a substituição das construções. Deste modo, a abordagem utilizada para efetuar o caso de estudo foi a ClassList MovableInsulation. Aplicando a abordagem atrás mencionada, foi desenvolvido um caso de estudo representando um modelo ilustrativo de uma moradia localizada em Lisboa, Portugal. A análise realizada focou-se no período de Verão (estação de arrefecimento) durante o qual se estudou o efeito da aplicação de uma layer de isolamento exterior removível (movable insulation), de 10 cm de poliestireno expandido (EPS), na redução do sobreaquecimento no interior da moradia (quando a temperatura média do ar é superior a 25°C). Com uma estratégia de controlo adequada, verificou-se uma redução, face ao cenário base, de 51% nas horas de sobreaquecimento e de 35% no consumo de energia elétrica para arrefecimento. Finalmente, foi feita uma análise comparativa entre a solução anterior e a aplicação de um sistema de ventilação natural com uma taxa de ventilação de 5 renovações por hora. Para esse ultimo cenário, verificou-se uma redução significativamente maior, face ao cenário base, tanto no consumo de arrefecimento (cerca de menos 67%) bem como nas horas de sobreaquecimento (68% menos). A utilização conjunta da movable insulation e da ventilação natural permitiu uma redução de 72% no consumo de energia para arrefecimento e de cerca de 80% nas horas com temperaturas interiores superiores a 25°C.

The current focus when it comes to size thermal insulation systems is to reach the highest insulation level. Besides the fact that the goal of this approach is to reduce the heat losses, especially during the winter, this can bring severe overheating problems that need to be solved. This way, dynamic insulation elements appear as a possible solution to this problem as they allow to have an adaptive range of their thermophysical properties, such as thermal conductivity, instead of a static value registered on the conventional insulation systems. There are several different materials and systems, with different mechanisms of control and resultant adaptive ranges, that can be used as dynamic insulation elements. Nowadays, in terms of simulation framework, the most suitable software to predict the performance of dynamic insulation elements is EnergyPlus, which offers two approaches to do it: the Movable Insulation Actuator and the Surface Construction State Actuator (on the Energy Management System group). After doing a comparison between these two approaches, it was concluded that the second one is the most promising, but due to limitations regarding implementation details, it was not used for the case-study analysis. By using the MovableInsulation Actuator in the case study analysis, for the climate of Lisbon, Portugal, it was concluded that the application of a removable insulation layer (10 cm of EPS), with an optimized control strategy, achieved 51% decrease on overheating hours and 35% of decrease on the cooling energy demand, in comparison with a base case. Moreover, the use of movable insulation in combination with a system of natural ventilation can allow greater savings in terms of cooling and a more significant reduction on the overheating hours. Although some of the details of how to assess the dynamic insulation elements become clearer throughout this analysis, there is much more work and research that needs to be done to accelerate the product development and technology implementation of these systems.