Inovação na construção. Utilização de sistemas de promoção ... · matérias-primas,...

Inovação na construção. Utilização de sistemas de promoção de

edficiência de edifícios.

Frederico Silva Baptista

Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil

Mestrado Integrado em Engenharia Civil

Júri

Presidente: Prof. Albano Luís Rebelo da Silva das Neves e Sousa Orientador: Profª Inês dos Santos Flores Barbosa Colen

Vogal: Prof. José Dinis Silvestre

Outubro 2014

III

AGRADECIMENTOS

À minha família e amigos chegados pelo apoio e motivação dados ao longo da elaboração desta dissertação.

À minha orientadora científica, a Professora Inês Flores-Colen pela total disponibilidade para me acompanhar e

ajudar em todas as etapas da elaboração deste trabalho.

Ao Professor Paulo Carreira e à sua equipa da MIT Portugal, pela disponibilidade e cooperação na elaboração do

caso de estudo do Instituto Superior Técnico.

Ao Professor José Silvestre pela disponibilidade em promover contactos com empresas de construção de

soluções modulares e pré-fabricadas.

À Doutora Laura Alenei pela disponibilidade e cooperação na elaboração do caso de estudo do edifício Solar XXI.

Ao Engenheiro Luís Cardoso pela disponibilidade e cooperação na elaboração do caso de estudo do Hospital de

Cascais.

V

RESUMO

O gasto de energia em edifícios corresponde a cerca de 60% do total de energia gasto pelos países da União

Europeia, o que se justifica pela baixa qualidade do parque edificado europeu, contribui para um fraco

desempenho dos edifícios em termos de eficiência energética e não garante níveis aceitáveis de conforto

interior. Além disso, denota-se, no processo construtivo de edifícios, pouca apetência para a reciclagem e

reutilização de materiais, o que leva a uma produção de grandes quantidades de resíduos e baixa

sustentabilidade no processo.

O objetivo desta dissertação foca-se na identificação e análise de soluções, materiais e métodos construtivos que

promovem a eficiência energética, a redução do consumo energético e a redução de produção de resíduos na

construção e exploração de edifícios. Definindo uma estratégia de inovação compreensiva, pretende-se

generalizar a utilização destas soluções no mercado com sucesso. Denominada de eficiência inteligente, esta

proposta descreve o processo de implementação de métodos construtivos baseados na flexibilização da

distribuição de instalações técnicas em edifícios, na pré-fabricação e na construção modular e a utilização de

painéis de isolamento em vácuo, materiais de mudança de fase, chaminés solares, iluminação hibrida, fachadas

ativas e sistemas de sensores e atuadores. Tendo em vista as metas traçadas pela Agenda 2020 para o setor da

construção civil europeu é proposta uma integração faseada destas soluções em edifícios com crescente

complexidade, desempenho e necessidade de investimento.

Para a análise do real desempenho destas tecnologias foram escolhidos 4 edifícios já construídos que utilizam

este tipo de soluções inovadoras. Recorrendo a um edifício hospitalar, um edifício de escritórios, um edifício

universitário e um edifício modelo, foram analisadas várias soluções com a integração de painéis de isolamento

em vácuo, ou VIP, materiais de mudança de fase, ou PCM, ventilação natural, iluminação natural, fachadas

activas, e sistemas de informação e automação inteligentes.

Após a aplicação simulada da proposta de eficiência inteligente num edifício modelo de 8 andares com 1000 m2

de área de implantação, foi possível quantificar os potenciais benefícios da integração destas tecnologias quando

aplicadas a edifícios correntes e avaliar o desempenho das várias soluções propostas.

Com esta simulação, concluiu-se que é possível melhorar os métodos construtivos utilizados atualmente e obter

uma pequena redução da produção de resíduos apenas com a introdução de um sistema padronizado de

distribuição de serviços, que pode aumentar com a introdução dos princípios da construção modular e pré-

fabricação. Estes métodos construtivos são dispendiosos mas tornam-se atrativos pela utilização racional de

matérias-primas, capacidade de reciclagem e prazos de execução mais curtos. Concluiu-se também que a

integração das restantes soluções consegue promover um aumento da eficiência energética de edifícios e uma

diminuição do consumo energético significativas que permitem alcançar os objectivos definidos pela Agenda

2020.

Palavras-chave: eficiência energética, consumo energético, métodos construtivos, agenda 2020, sistemas

inteligentes, isolamento térmico.

VII

ABSTRACT

The energy consumption in buildings accounts for about 60 % of the total energy spent by countries of the

European Union, which, combined with the low quality of the European building stock , contributies to poor

performance of buildings in terms of energy efficiency and does not guarantee acceptable levels of interior

comfort . Furthermore, little effort is made for the recycling and re-usage of materials in the construction of

buildings, which leads to the production of large quantities of waste and unsustainable processes.

This dissertation focuses on the analysis of low power, lean and energy efficient solutions used in the

construction of buildings. By defining a comprehensive innovation strategy, it aims for a successful

implementation and diffusion of these solutions in the construction sector. A smart efficiency concept is

proposed, that describes the process of implementation of construction methods based on the spatial

flexibilization of services inside buildings, pre fabrication of structures, modular construction, and the utilization

of vacuum insulation panels, phase change materials, solar chimneys, hybrid lighting, active facades and sensor

and actuator systems. Contemplating the goals set by the 2020 agenda for the European construction industry,

a phased integration of these solutions is proposed with growing complexity, performance and overall cost

In order to analyze the real performance of these technologies, four existing buildings were used as case studies.

Focusing on a hospital building, an office building, an university building and a prototype building, several

solutions were analyzed with the integration of VIPs, PCMs, natural ventilation, natural daylighting, active

façades, and intelligent information and automation systems.

By simulating the application of the proposed solutions in an 8-storey building with 1000 m2 gross area, it was

possible to quantify the potential benefits of integrating these technologies in conventional buildings and

evaluate their performance.

With this simulation, it was concluded that it is possible to improve current construction methods and obtain a

small reduction of waste production with the introduction of standardized flexible services systems which can

improve with the introduction of prefabrication and modular construction principles. These solutions are costly,

but attractive due to the ability to recycle most of the waste materials, allow for a rational use of resources and

reduce execution times. It was also concluded that the integration of the remaining solutions can significantly

increase energy efficiency in buildings and decrease their energy consumption allowing to reah the goals set by

the 2020 Agenda.

Keywords: energy efficiency, energy consumption, construction methods, 2020 Agenda, intelligent systems,

thermal insulation.

IX

ÍNDICE

Agradecimentos ........................................................................................................................................ III

Resumo ...................................................................................................................................................... V

Abstract .................................................................................................................................................... VII

Índice de tabelas ..................................................................................................................................... XIII

Índice de Figuras ...................................................................................................................................... XV

1. Introdução ...................................................................................................................................................... 1

Objetivos da dissertação........................................................................................................................ 1

Estrutura da dissertação ........................................................................................................................ 2

2. Inovação ......................................................................................................................................................... 3

Considerações gerais ............................................................................................................................. 3

Dimensão científica ............................................................................................................................... 3

Dimensão económica ............................................................................................................................ 3

Teoria da Inovação ................................................................................................................................ 4

2.4.1 Natureza da Inovação........................................................................................................................ 4

2.4.2 Modelos de classificação da inovação............................................................................................... 5

2.4.3 Modelo Chandy e Tellis ..................................................................................................................... 5

Sector da Construção............................................................................................................................. 6

2.5.1 O sector da construção no contexto Europeu................................................................................. 10

2.5.2 O sector da construção em Portugal ............................................................................................... 13

Inovação na construção ....................................................................................................................... 16

2.6.1 História da inovação na Construção ................................................................................................ 16

2.6.2 Modelos de inovação na Construção .............................................................................................. 19

2.6.2.1 Inovação incremental ............................................................................................................. 20

2.6.2.2 Inovação modular ................................................................................................................... 21

2.6.2.3 Inovação arquitectónica ......................................................................................................... 21

2.6.2.4 Inovação de sistema ............................................................................................................... 22

2 .6.2.5 Inovação radical ...................................................................................................................... 23

Estratégias de Inovação ....................................................................................................................... 24

2.7.1 Difusão de Inovação ........................................................................................................................ 24

2.7.2 Oportunidades e barreiras à inovação na construção .................................................................... 26

X

3.7.2.1 Barreiras à inovação na construção........................................................................................ 26

3.7.2.2 oportunidades de inovação na construção ............................................................................ 27

2.7.3 Investimento na Inovação ............................................................................................................... 30

2.7.3.1 incentivo e estratégias de apoio à inovação .......................................................................... 32

Considerações Finais............................................................................................................................ 34

3. Eficiência inteligente .................................................................................................................................... 37

Considerações gerais ........................................................................................................................... 37

Objetivo ............................................................................................................................................... 37

Metodologia proposta ......................................................................................................................... 38

Seleção de tecnologias ........................................................................................................................ 39

Foco da metodologia ........................................................................................................................... 40

Métodos construtivos .......................................................................................................................... 40

3.6.1 Sistemas de distribuição integrados................................................................................................ 42

3.6.2 Núcleos de serviços centrais ........................................................................................................... 44

3.6.3 Pré-fabricação ................................................................................................................................. 45

3.6.4 Construção modular ........................................................................................................................ 47

Eficiência energética ............................................................................................................................ 48

3.7.1 Isolamento térmico ......................................................................................................................... 48

3.7.1.1 Painéis de isolamento em vácuo (Vaccum insulated pannels) ............................................... 49

3.7.1.2 Materiais de mudança de estado (Phase change materials).................................................. 50

3.7.1.3 Janela electrocrómica e de cristais líquidos (Janelas inteligentes)......................................... 52

3.7.2 Ventilação natural ........................................................................................................................... 53

3.7.2.1 Chaminé Solar......................................................................................................................... 56

3.7.2.2 Ventilação noturna ................................................................................................................. 57

3.7.2.3 Estratégia de ventilação natural ............................................................................................. 57

3.7.3 Sistemas óticos de iluminação natural ............................................................................................ 58

3.7.3.1 Colectores de luz .................................................................................................................... 59

3.7.3.2 Distribuidores de luz ............................................................................................................... 62

3.7.3.3 Emissores de luz ..................................................................................................................... 63

3.7.3.4 luzes LED ................................................................................................................................. 63

3.7.4 Sistemas dinâmicos de eficiência energética .................................................................................. 64

3.7.4.1 Fachada activa ABE ................................................................................................................. 65

3.7.4.2 Fachada Adaptável CAS .......................................................................................................... 67

XI

3.7.4.3 Varanda dinâmica Bloomframe .............................................................................................. 68

Sistemas de informação....................................................................................................................... 69

3.8.1 Sistemas de monitorização e otimização de consumo ................................................................... 70

3.8.1 Sensores e interfaces ...................................................................................................................... 73

3.8.2 Sistemas de automação de edifícios (BAS)...................................................................................... 76

Conclusões do capítulo ........................................................................................................................ 78

4. Casos de estudo............................................................................................................................................ 81

Introdução ........................................................................................................................................... 81

Instituto Superior técnico – Polo taguspark ........................................................................................ 81

4.2.1 Contadores Inteligentes .................................................................................................................. 83

4.2.2 Biblioteca central ............................................................................................................................ 84

4.2.3 Anfiteatro 4 ..................................................................................................................................... 84

4.2.4 Sala de computadores ..................................................................................................................... 85

4.2.5 Núcleo 14 ........................................................................................................................................ 86

4.2.6 Laboratório de energia .................................................................................................................... 86

4.2.7 Resultados ....................................................................................................................................... 87

Hospital de Cascais .............................................................................................................................. 88

4.3.1 Piso técnico ..................................................................................................................................... 89

4.3.2 Medidas passivas e ativas de eficiência energética ........................................................................ 90

4.3.3 Sistema de gestão de manutenção ................................................................................................. 91

4.3.4 Sistema de gestão de consumos energéticos ................................................................................. 93

4.3.5 Resultados ....................................................................................................................................... 93

Edifício Solar XXI .................................................................................................................................. 96

4.4.1 Ventilação natural ........................................................................................................................... 97

4.4.2 Sistema de arrefecimento passivo por tubos enterrados. .............................................................. 99

4.4.3 Iluminação natural ........................................................................................................................ 100

4.4.4 Resultados ..................................................................................................................................... 101

SurPlus Home..................................................................................................................................... 103

4.5.1 PCM ............................................................................................................................................... 104

4.5.2 Painéis de Isolamento em vácuo VIP............................................................................................. 105

XII

4.5.3 Sistema sombreamento e iluminação natural .............................................................................. 106

4.5.4 Resultados ..................................................................................................................................... 107

Conclusões do capítulo ...................................................................................................................... 108

5. Propostas de integração ............................................................................................................................. 111

Introdução ......................................................................................................................................... 111

Proposta de integração...................................................................................................................... 111

Edifício modelo .................................................................................................................................. 112

5.3.1 Edifício construção corrente ......................................................................................................... 113

Critérios de avaliação......................................................................................................................... 113

5.4.1 Ponderações .................................................................................................................................. 115

Integração ligeira ............................................................................................................................... 115

5.5.1 Execução da proposta ................................................................................................................... 117

Integração Moderada ........................................................................................................................ 118


Integração total ................................................................................................................................. 121


Conclusões do capítulo ...................................................................................................................... 123

6. Conclusão e desenvolvimentos futuros ..................................................................................................... 125

Conclusões gerais .............................................................................................................................. 125

Conclusões específicas....................................................................................................................... 126

Desenvolvimentos futuros................................................................................................................. 128

Referências bibliográficas ................................................................................................................................... 129

Referências de internet.......................................................................................................................... 134

Anexos .......................................................................................................................................................................i

XIII

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Classificação da inovação quanto à Natureza ..................................................................................... 5

Tabela 2.2 - Fontes e conhecimentos dos modelos de Inovação na construção. ................................................. 24

Tabela 2.3 – Resumo de barreiras à inovação....................................................................................................... 27

Tabela 3.1 – Resumo das tecnologias selecionadas .............................................................................................. 39

Tabela 3.2 - Resumo das principais características dos métodos construtivos analisados................................... 42

Tabela 3.3 – Características gerais dos isolamentos térmicos opacos e transparentes ....................................... 48

Tabela 3.4 – Características gerais dos sistemas de ventilação natural ................................................................ 54

Tabela 3.5 – Características gerais dos sistemas de iluminação natural............................................................... 59

Tabela 3.6 – Características gerais de Sistemas dinâmicos de eficiência energética ............................................ 65

Tabela 3.7 – Características gerais dos sistemas de informação .......................................................................... 70

Tabela 4.1 – Resumo dos casos de estudo analisados e soluções e tecnologias aplicadas. ................................. 81

Tabela 4.2 – Descrição dos equipamentos instalados nas áreas de teste ............................................................ 82

Tabela 4.3 – Análise de percentagem de poupança energética anual estimada para as áreas de teste e o respetivo

período de retorno do investimento .................................................................................................................... 87

Tabela 4.4 – Necessidades de conforto interiores dos serviços no 3º piso .......................................................... 89

Tabela 4.5 – Controlo de consumo elétrico utilizando os contadores inteligentes .............................................. 94

Tabela 4.6 – Características técnicas da placa de PCM utilizada ........................................................................ 104

Tabela 4.7 – Características técnicas do painel de isolamento em vácuo utilizado ............................................ 105

Tabela 4.8 – Resumo dos resultados dos edifícios analisados nos casos de estudo ........................................... 109

Tabela 5.1 – Proposta de integração................................................................................................................... 112

Tabela 5.2 – Características da construção corrente .......................................................................................... 112

Tabela 5.3 – Requisitos de conforto interior considerados ................................................................................ 113

Tabela 5.4 – Características do edifício em construção corrente. ...................................................................... 113

Tabela 5.5 – Critérios de avaliação de tecnologias de acordo com a área de atuação ....................................... 114

Tabela 5.6 – Ranking e ponderações afetas a cada solução para consideração da eficiência energética e redução

de consumos global............................................................................................................................................. 115

Tabela 5.7 - Avaliação dos sistemas construtivos propostos .............................................................................. 116

Tabela 5.8 – Avaliação dos isolamentos térmicos propostos ............................................................................. 116

Tabela 5.9 – Avaliação de sistemas de ventilação natural propostos ................................................................. 117

Tabela 5.10 - Avaliação dos contadores inteligentes propostos ......................................................................... 117

Tabela 5.11 – Avaliação do sistema construtivo proposto ................................................................................. 118

Tabela 5.12 – Avaliação dos sistemas de iluminação propostos......................................................................... 119

Tabela 5.13 – Avaliação dos sistemas de sensores e interfaces propostos ........................................................ 120

Tabela 5.14 – Avaliação dos sistemas construtivos propostos ........................................................................... 122

Tabela 5.15 – Avaliação dos sistemas compostos de eficiência energética propostos ...................................... 122

Tabela 5.16 - Avaliação do sistema de automação de edifícios propostos ......................................................... 122

Tabela 5.17 – Avaliação das propostas de sistemas construtivos ....................................................................... 124

XIV

Tabela 5.18 - Avaliação das propostas de eficiência energética e sistemas de informação ............................... 124

XV

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Modelo Chandy e Tellis (1998) ............................................................................................................. 5

Figura 2.2 – Agentes Chave tipos de interações no sector da construção .............................................................. 9

Figura 2.3 - Evolução da atividade do sector da construção por grau de desenvolvimento de um país .............. 10

Figura 2.4- Evolução das taxas de crescimento do sector da construção na União Europeia a 28 países e Portugal

.............................................................................................................................................................................. 11

Figura 2.5 – Peso dos vários segmentos da atividade na União Europeia a 27 países ......................................... 11

Figura 2.6 - Variação na produção de edifícios residenciais na Europa ............................................................... 12

Figura 2.7 - Variação na produção de edifícios não residenciais na Europa ........................................................ 12

Figura 2.8 - Evolução temporal dos segmentos construção nova e reparação e reabilitação .............................. 13

Figura 2.9 – Peso dos vários segmentos da atividade na União Europeia a 27 países.......................................... 14

Figura 2.10 - Variação na produção de edifícios não residenciais em Portugal .................................................... 15

Figura 2.11 - Variação na produção de edifícios residenciais em Portugal ........................................................... 16

Figura 2.12 - Cronologia das principais inovações do sector da construção......................................................... 17

Figura 2.13 - Escala de modelos de Inovação na Construção ............................................................................... 20

Figura 2.14 – Exemplo de redes de segurança “anti-queda” ................................................................................ 20

Figura 2.15 - Exemplo de um equipamento amarrador de varões de aço ............................................................ 21

Figura 2.16 - Exemplo de Betão auto-compactável ............................................................................................. 22

Figura 2.17 - Exemplos de uma fábrica de betão pré-fabricado e elementos de betão pré-fabricados............... 22

Figura 2.18 - Exemplos de utilização de aço estrutural e de ligações metálicas ................................................... 23

Figura 2.19 - Ciclo de investimento e retorno na inovação .................................................................................. 31

Figura 3.1 – Âmbito e hierarquização das tecnologias selecionadas .................................................................... 38

Figura 3.2 – Importância das pequenas e médias empresas (PMEs) no processo de inovação na construção .... 40

Figura 3.3 – Diferenciação entre as várias camadas do edifício de acordo com o tempo de vida útil dos elementos

.............................................................................................................................................................................. 41

Figura 3.4 – Processo de execução de um pavimento Matura e os seus vários componentes ............................ 44

Figura 3.5 – Sugestão de alteração da matriz patenteada por uma matriz semelhante de espuma de vidro...... 44

Figura 3.6 – Exemplo da localização e funcionamento de um núcleo de serviços central ................................... 45

Figura 3.7 – Comparação entre os resíduos produzidos na execução de elementos de betão pré-fabricados e

betonados in-situ .................................................................................................................................................. 46

Figura 3.8 – Etapas de execução e montagem da construção modular de edifícios ............................................ 48

Figura 3.9 – Uma placa de VIP finalizada (esquerda) e sua constituição (direita) ................................................ 50

Figura 3.10 – Paredes divisórias com tijolos preenchidos com PCM (esquerda), placa de gesso composta por 60%

PCMs (centro) e escritório com elementos de sombreamento compostas por PCM na fachada (direita) .......... 51

Figura 3.11 – PCM nano encapsulado (esquerda), tijolos com PCM macro encapsulado (centro) e parede leve com

PCM micro encapsulado no isolamento interior (direita) ..................................................................................... 51

Figura 3.12 – Sequência de alteração de estado de vidros electrocrómicos ........................................................ 52

Figura 3.13 – Funcionamento de janelas electrocrómicas no estado ativo e desativo ........................................ 53

XVI

Figura 3.14 – Funcionamento das janelas de criais líquidos (PDLC) no estado ativo e desativo .......................... 53

Figura 3.15 – Representação dos fenomenos de Ventilação de um só lado e Ventilação cruzada (esquerda),

Ventilação com base em efeito de chaminé (centro) e de coletores de vento, ou windcatchers. (direita) ......... 55

Figura 3.16 – Janela com um atuador motorizado (esquerda) e abertura junto a janela para ventilação da fachada

.............................................................................................................................................................................. 55

Figura 3.17 – Grelha de ventilação de parede (esquerda) e grelha de ventilação de fachada com sistema de

filtragem (direita) .................................................................................................................................................. 56

Figura 3.18 – Chaminés solares instaladas em edifícios (esquerda e centro) e funcionamento da chaminé solar

(direita).................................................................................................................................................................. 56

Figura 3.19 – Funcionamento das paredes Trombe solares e coberturas solares ................................................ 57

Figura 3.20 – Exemplos de duas estratégias muito eficazes de ventilação natural de edifícios ........................... 58

Figura 3.21 – instalação de uma calha parabólica (esquerda) e de uma lente linear Fresnel (direita) ................ 60

Figura 3.22 - Funcionamento de parabólica ótica (esquerda) e sua instalação num edifício (direita) ................. 60

Figura 3.23 - Funcionamento do sistema de micro prismas eletromecânicos (esquerda) e fotografia da sua

pequena estrutura (direita)................................................................................................................................... 61

Figura 3.24 – Uma divisão interior de um edifício antes da instalação dos microprismas nas janelas (esquerda) e

depois da sua instalação (direita) ......................................................................................................................... 61

Figura 3.25 – Tubo de luz de aplicação residencial (esquerda), de aplicação comercial (centro) e seu

funcionamento (direita) ........................................................................................................................................ 62

Figura 3.26 – Formato de um feixe de fibras óticas em forma de cabo (esquerda) e conetor entre fibras óticas

plásticas e de vidro (direita) .................................................................................................................................. 63

Figura 3.27 – Tipos de difusores disponíveis: difusor prismático, difusor Fresnel, difusor de penetração e lâmpada

difusora (da esquerda para a direita).................................................................................................................... 63

Figura 3.28 – Exemplos de lâmpadas LED ............................................................................................................ 64

Figura 3.29 – Fachada ativa opaca e seus componentes (esquerda) e fachada ativa transparente e seus

componentes (direita)........................................................................................................................................... 66

Figura 3.30 – Esquema e componentes da fachada adaptável (esquerda) e secção de um protótipo (direita) ... 67

Figura 3.31 – Varanda dinâmica BloomFrame com elementos em vidro (esquerda) e Varanda dinâmica Fakro

(direita).................................................................................................................................................................. 69

Figura 3.32 – Componentes do sistema Redy ....................................................................................................... 72

Figura 3.33 – Componente do sistema Waterbeep .............................................................................................. 72

Figura 3.34 – Dados de consumo de água antes da instalação do contador inteligente (esquerda) e depois da sua

instalação (direita) ................................................................................................................................................ 73

Figura 3.35 – Sensor BME 280 para smartphones e tablets.................................................................................. 74

Figura 3.36 – Termóstato inteligente Ecobee (esquerda) e Nest (direita) ............................................................ 75

Figura 3.37 – Valores de temperatura e humidade relativa recolhidos pela rede de sensores sem fios (esquerda)

e sua arquitetura (direita) ..................................................................................................................................... 75

Figura 3.38 – Nódulo modular com vários sensores (esquerda) e gateway de dados (direita) ............................ 76

XVII

Figura 3.39 – Atuadores em janelas e envidraçados lineares (esquerda) e de corrente (direita) ........................ 77

Figura 3.40 – Atuadores em ventilação natural aplicados a grelhas de ventilação (esquerda e centro) e atuadores

de condutas de ventilação (direita) ...................................................................................................................... 78

Figura 3.41 – Atuadores em elementos de sombreamento horizontais (esquerda e centro) e verticais (direita) 78

Figura 4.1 – Edifício Instituto Superior técnico, polo Tagus Park .......................................................................... 82

Figura 4.2 – Contadores de eletricidade inteligentes (esquerda) e controladores de correntes instalados nas várias

áreas de teste (direita) .......................................................................................................................................... 83

Figura 4.3 – Consumo elétrico horário medido no intervalo de 15 dias na biblioteca (esquerda) e no anfiteatro 4

(direita).................................................................................................................................................................. 83

Figura 4.4 – Descrição dos vários cenários de iluminação interior e interface de controlo. ................................ 84

Figura 4.5 – Interface de controlo de iluminação e sistema AVAC (baixo) e sensor de ocupação (cima)............. 85

Figura 4.6 – Interface de controlo com vários cenários de iluminação (esquerda), sistema de sombreamento com

atuador (centro) e multisensor de luminosidade e ocupação (direita). ............................................................... 85

Figura 4.7 – Equipamentos ligados a tomadas inteligentes (esquerda) e módulo de controlo e monitorização das

tomadas inteligentes............................................................................................................................................. 85

Figura 4.8 – Núcleo 14 sede do MIT (esquerda), interface de controlo do sistema AVAC (centro) e sensores de

movimento de controlo de iluminação nos corredores (direita). ......................................................................... 86

Figura 4.9 – Edifício Hospital de Cascais ............................................................................................................... 89

Figura 4.10 – Tubagens e condutas de ventilação (esquerda), unidades de tratamento de ar (UTA’s) e filtros

associados (centro) e palas de sombreamento na fachada sul (direita) ............................................................... 90

Figura 4.11 – Sistema de gestão de manutenção (esquerda), PALMs (centro) e sistema de identificação e

localização de equipamentos ................................................................................................................................ 91

Figura 4.12 - Sistema de manutenção preventiva (esquerda) e corretiva (direita) e intervenções de manutenção

preventiva num dos sistemas AVAC (centro) ........................................................................................................ 92

Figura 4.13 – Número de Horas de manutenção corretiva vezes homem por especialidade no ano de 2012 .... 92

Figura 4.14 - Consumo de eletricidade total do edifício entre 2011 e 2014 ........................................................ 93

Figura 4.15 – Consumo de eletricidade em 2013 repartido por tipo de utilização ............................................... 95

Figura 4.16 – Indicador de Produção dos Hospitais do grupo 3 [Kgep/m2] .......................................................... 96

Figura 4.17 - Indicador de dimensão dos Hospitais do grupo 3 [Kgep/doente padrão] ....................................... 96

Figura 4.18 – Edifício solar XXI. ............................................................................................................................. 97

Figura 4.19 – Execução da estrutura e isolamentos do edifício Solar XXI ............................................................. 97

Figura 4.20 – Entrada e saída de ar existentes atras da fachada com sistema de sombreamento e painéis

fotovoltaicos ......................................................................................................................................................... 98

Figura 4.21 – Funcionamento do sistema de ventilação natural de fachada no verão (esquerda) e na primavera e

inverno (direita) .................................................................................................................................................... 99

Figura 4.22 – Funcionamento do sistema de arrefecimento de tubos enterrados............................................... 99

Figura 4.23 – Execução do sistema de tubos enterrados (esquerda), entrada de ar do sistema (centro) e

ventoinhas de ventilação assistida nas várias salas (direita) .............................................................................. 100

XVIII

Figura 4.24 – Poço central e superfícies translucidas nas portas (esquerda), claraboia de iluminação e ventilação

natural (centro) e estratégia de iluminação natural no verão (direita cima) e no inverno (direita baixo) ......... 100

Figura 4.25 – Dados de temperaturas interiores e exteriores e incidência solar nos meses frios (esquerda) e Dados

de temperaturas interiores e exteriores e incidência solar nos meses quentes (direita)................................... 101

Figura 4.26 – Concentração de CO2 no interior do edifício medida em 2 dias ................................................... 102

Figura 4.27 – O edifício SurPlus Home na Alemanha (esquerda) e planta do edifício (direita) .......................... 103

Figura 4.28 – Localização dos módulos de PCM (esquerda) e sistema de ventilação com integração de módulos

de PCM (direita) .................................................................................................................................................. 105

Figura 4.29 – Localização e execução dos painéis VIP na fachada este (esquerda) e na pormenor na cobertura

(direita)................................................................................................................................................................ 105

Figura 4.30 – Núcleo do painel VIP (esquerda), Painel VIP integrado na fachada (centro) e execução da fachada

oeste com painéis de isolamento em vácuo (direita) ......................................................................................... 106

Figura 4.31 – Localização do sistema de palas de sombreamento e de estores integrados nas janelas (esquerda),

pormenor de estores integrados nas janelas (centro) e funcionamento do sistema de palas de sombreamento

(direita)................................................................................................................................................................ 106

Figura 4.32 – Dados de medidores de temperatura nas várias salas do edifício numa semana quente de Outubro

em 2009 .............................................................................................................................................................. 107

Figura 5.1 – Estrutura da proposta de integração e as suas fases ...................................................................... 111

1

1. INTRODUÇÃO

A inovação na construção é um processo cíclico e tende a tornar-se uma aposta crescente no setor da construção

civil que procura modernizar-se e atingir melhores padrões de qualidade e eficiência, aliados a uma procura

incremental de sustentabilidade económica, social e ambiental através do recurso às tecnologias mais

avançadas.

O sector é caracterizado por ter uma grande capacidade de inovação quando enfrenta novos paradigmas. O

passado recente demonstra que quando confrontado com um novo problema, seja funcional, económico ou

social, os agentes do setor sabem encontrar soluções inovadoras que mudam não só a forma como se constrói

como também afetam os setores transversais à construção civil. No passado estes paradigmas focavam-se na

necessidade de construir edifícios em massa de forma rápida e barata, com estruturas mais seguras e complexas

e melhores condições de conforto.

Numa altura em que é promovida a independência energética dos vários estados da União europeia e são

definidas metas para o setor da construção civil para 2020, procura-se uma forma de melhorar a qualidade da

construção de edifícios que terá de ser impulsionada por uma nova vaga de inovação. Os edifícios nacionais

apresentam consumos energéticos na ordem dos 62% do total nacional, associados a sistemas de "aquecimento,

ventilação e ar condicionado, ou AVAC, e iluminação e produções elevadas de resíduos, motivados por um

deficiente planeamento da sua construção e pela falta de legislação que promova a eficiência energética.

Com esta dissertação pretende-se mostrar o valor acrescentado que estas soluções trazem para os edifícios e os

seus ocupantes e motivar o setor publico e privado da construção civil a dar os primeiros passos rumo a uma

europa com infraestruturas mais eficientes, sustentáveis e inteligentes. Apresentando soluções de materiais de

isolamento térmico inovadores, sistemas de ventilação e iluminação natural e tecnologias de informação,

pretende-se melhorar a eficiência energética e o consumo de energia em edifícios. Para promover uma redução

da produção de resíduos pretendem-se introduzir novos e melhorados sistemas de execução de edifícios que

minimizem o desperdício de matéria-prima e possibilitem uma alta taxa de reutilização e reciclagem dos

materiais construtivos.

OBJETIVOS DA DISSERTAÇÃO Nesta dissertação pretendem-se cumprir os seguintes objetivos:

Identificar, caracterizar e analisar tecnologias e soluções inovadoras com vista à melhoria da eficiência

energética, redução de consumo de energia e de produção de resíduos na construção de edifícios.

Analisar casos de estudo, na forma de edifícios construídos, onde estas soluções e tecnologias tenham

sido implementadas, procurando identificar as principais vantagens e desvantagens, bem como o real

desempenho destas soluções.

2

Propor uma metodologia de seleção e integração destas tecnologias e soluções inovadoras em edifícios

em três propostas com diferentes graus de integração e complexidade.

Realizar um estudo comparativo da metodologia proposta analisando o desempenho das três propostas

quando aplicadas num edifício modelo.

ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Para o desenvolvimento desta dissertação optou-se por dividir o trabalho em 5 capítulos.

No primeiro capítulo faz-se a introdução da temática de estudo e apresentam-se os objetivos e a estrutura da

dissertação.

No segundo capítulo define-se o enquadramento geral do tema em estudo, fazendo uma caracterização das

várias teorias, estratégias e modelos da inovação que podem ser aplicados à construção civil. Após uma análise

do setor da construção civil nacional e comunitário, relacionam-se os modelos estudados com a história da

inovação na construção civil. Finalmente, identificam-se os paradigmas atuais do setor da construção e traçam-

se objetivos para uma nova fase de inovação.

No terceiro capítulo é apresentada uma proposta de inovação. Nesta proposta são identificadas soluções

construtivas e inovações tecnológicas que permitam impulsionar a inovação na construção de edifícios com vista

ao cumprimento dos objetivos propostos. Esta proposta tenta implementar uma metodologia que garanta uma

melhoria gradual da construção de edifícios.

No quarto capítulo faz-se o estudo de edifícios onde estas soluções e tecnologias tenham sido implementadas,

procurando identificar as principais vantagens e desvantagens, bem como o real desempenho destas soluções.

No quinto capítulo é feita uma avaliação da aplicabilidade das soluções propostas. Utilizando um edifício modelo

de 8 pisos é analisado o impacto económico e tecnológico que a implementação destas três propostas pode ter

na construção de edifícios e são identificadas as melhores soluções a aplicar.

Finalmente, nos anexos são identificadas e caracterizadas as tecnologias e soluções inovadoras que foram alvo

de estudo, mas não foram incluídas nas três propostas de integração do edifício modelo.

3

2. INOVAÇÃO

CONSIDERAÇÕES GERAIS A inovação é um processo que exige conhecimento, criatividade, persistência e concentração. É a capacidade de

imaginar o que não existe, de criar e adotar a novidade, de questionar a rotina e de escrutinar hábitos (Costa,

2013). O processo inovador traduz-se na conjugação de uma base de conhecimento por forma a encontrar novas

soluções, otimizando os resultados do esforço de investigação e desenvolvimento e valorizando os processos

cumulativos de aprendizagem que lhe são inerentes.

Para uma correta definição do conceito de inovação é necessário compreender as suas duas dimensões:

científica e económica.

Neste capítulo discute-se como estas duas grandezas se complementam e como estão estruturadas, fazendo a

ponte para o sector da construção onde se pretende descrever como o processo de inovação de desenvolve e as

suas principais características.

DIMENSÃO CIENTÍFICA Na sua dimensão científica a inovação é definida como um processo que integrando os conhecimentos científicos

e tecnológicos próprios e alheios e capacidades pessoais conduz ao desenvolvimento e adoção ou

comercialização de produtos, processos, métodos de gestão e condições laborais, novos ou melhorados,

contribuindo para a satisfação de todos os participantes (Dantas, 2001).

Nesta perspetiva, a inovação traduz-se num fenómeno sistémico orientado para um resultado, mas com uma

componente multidimensional e coletiva, no qual participam um número crescente de parceiros com objetivos

comuns. A componente multidimensional da inovação engloba: a ciência, a tecnologia e as pessoas. Estes três

atores cruciais são interdependentes, beneficiando desta parceria. O ator humano beneficia da tecnologia para

progredir na ciência e, por consequência, produzir tecnologia mais avançada e útil à investigação futura.

A inovação tem então de ser pensada como um processo. O processo de inovação depende de vários atores, e

abrange não apenas os aspetos técnicos e económicos, mas também os aspetos sociais, culturais e

organizacionais que, em última análise, contribuem para a criação de um produto inovador

DIMENSÃO ECONÓMICA No contexto económico, a inovação apresenta-se como um essencial fator de competitividade muito

dependente do processo de renovação das pessoas, das empresas e das instituições, sendo portanto

indissociável de gestão, economia e mercado.

Existem várias definições desenvolvidas com o objetivo de explicarem o conceito inovação, e como resultado o

termo ganhou grande ambiguidade (Garcia e Calantone, 2002).

4

Tendo como base as três principais correntes de análise e interpretação do conceito de inovação, destacam-se

os pontos defendidos por Lundvall (1922), pela OCDE (1997) e por Freeman (1989). O primeiro autor afirma que

a inovação resulta de processos de aprendizagem, procura e exploração, que resultam em novos produtos,

técnicas, formas de organização e mudanças institucionais e de mercado. A OCDE vai mais longe ao definir a

inovação na sua vertente tecnológica e em duas classes: inovação de produto como a implementação de um

produto com as características de desempenho melhoradas; e inovação de processo como a implementação de

uma nova ou significativa melhoria da produção ou da entrega. Finalmente Freeman adota uma abordagem mais

ampla definindo a inovação como o uso de uma alteração não trivial e um melhoramento num processo, produto

ou sistema que é novo para a instituição que desenvolveu a alteração.

Numa análise genérica e abrangente definir-se-á a inovação como a transformação de uma ideia num produto

ou serviço comercializáveis, resultantes de um processo de fabrico, novo ou melhorado, ou de vários processos

de aprendizagem e exploração. Este conceito está intimamente ligado com as áreas de gestão, economia e

componente técnica e permite estruturar os vários tipos de inovação com base na sua natureza e classe.

TEORIA DA INOVAÇÃO A teoria da inovação sugere várias abordagens na definição do processo inovador. Estas abordagens surgem com

base em modelos teóricos de caracterização da inovação com base na sua natureza e classe, apresentando-se os

modelos de Henderson e Clark e de Chandy e Tellis.

2.4.1 NATUREZA DA INOVAÇÃO A classificação da inovação quanto à sua natureza é um tema com maior convergência sendo a definição

defendida por Afuah (1998) aceite atualmente. O autor divide o conceito em três grandes tipologias:

Inovação tecnológica: é o conhecimento de componentes, ligações entre componentes, métodos,

processos e técnicas que se tornam num produto ou serviço. Este tipo de inovação pode resultar num

produto, processo ou serviço que também são passiveis de subprocessos denominados Inovações de

produto ou serviço: traduz-se na criação de produtos ou serviços visando a satisfação das necessidades

de mercado; e inovação de processo: traduz-se na introdução de novos elementos em operações de

organizações nomeadamente input de materiais, especificações de tarefas, mecanismos de fluxos de

informação e trabalho, e equipamento usado para produzir um produto ou fazer um serviço.

Inovação de mercado: é a incorporação de conhecimentos novos nos canais de distribuição, nos

produtos, aplicações, como também as expectativas dos clientes, preferências, necessidades, e desejos

traduzindo-se no melhoramento das componentes do marketing-mix, que são, o produto, preço, a

promoção e o local (Kotler et al., 1993).

Inovação administrativa: é a envolvente que abrange inovações pertencentes à estrutura organizacional

e a processos administrativos relacionando-se com estratégias, estruturas e sistemas adotados bem

como pessoas na organização.

5

As três naturezas da Inovação defendidas por Afuah em 1998 podem ser examinadas a um nivel inferior,

percebendo-se que tipo de inovação específica abrangem. Tal é percetivel na Tabela 2.1 onde cada tipologia tem

afetos vários tipos de inovação.

Tabela 2.1 - Classificação da inovação quanto à Natureza

Tecnológica Mercado Administrativa

Produto Produto Estratégia

Processo Preço Estrutura

Serviço Local Sistemas

Promoção Pessoas

2.4.2 MODELOS DE CLASSIFICAÇÃO DA INOVAÇÃO A classificação da inovação é baseada em modelos que distribuem a natureza e a classe da inovação em

diferentes níveis. Estes modelos desenvolvidos por Henderson e Clark (1990) e Chandy e Tellis (1998) são os mais

consensuais na literatura consultada e simultaneamente complementares. O primeiro modelo adota uma

abordagem direta ao produto definindo as dimensões necessárias para criar um produto inovador com sucesso,

enquanto o segundo foca-se nas dimensões relacionadas com o mercado onde esse produto inovador poderá

ter sucesso.

2.4.3 MODELO CHANDY E TELLIS

Figura 2.1 - Modelo Chandy e Tellis (1998)

Na Figura 2.1 é possível sintetizar o modelo defendido por Chandy e Tellis relacionando as duas principais

grandezas defendidas pelos autores, com os tipos de inovação que definem.

Este modelo sugere que existem duas grandezas comuns à definição de Inovação: Tecnologia e mercado. A

grandeza tecnológica determina até que ponto a tecnologia inerente a um novo produto é nova ou diferente das

Requisitos de

Mercado

6

já existentes e a grandeza comercial determina até que ponto um novo produto cumpre ou excede os requisitos

fundamentais definidos pelo mercado para o seu propósito (Chandy et al., 1998).

Estas duas grandezas permitem agrupar os tipos de inovações em quatro grandes grupos:

Inovação incremental, onde a novidade da tecnologia é baixa e o cumprimento das necessidades e

requisitos de mercado é baixa;

Inovação de mercado, onde existe uma baixa novidade da tecnologia e os requisitos e necessidades

do mercado são excedidos largamente;

Inovação tecnológica, onde a novidade da tecnologia é alta e há um baixo e baixo cumprimento das

necessidades e requisitos do mercado;

Inovação radical, onde são combinadas a alta novidade tecnológica e a são excedidos os requisitos

e necessidades do mercado.

SECTOR DA CONSTRUÇÃO Para ser possível uma correta análise da inovação no sector da construção torna-se necessário primeiro

caracterizar o sector construtivo global. Embora o sector construtivo seja caracterizado de acordo com as

especificidades da área geográfica e económica onde está inserido é possível delinear um modelo comum com

base nas características únicas do sector.

A indústria da Construção encontra-se presente em todos os países do mundo, revelando características típicas

de uma atividade marcadamente regional. A construção e, mais precisamente, a construção residencial, revela,

particularidades regionais próprias quer nos produtos quer nos processos construtivos (Chandy e Tellis, 1998).

No entanto, a nível global, esta característica regional tende a esbater-se. São três os fatores principais que vêm

determinando a globalização dos mercados da construção: o grau de complexidade quer do projeto quer do

processo construtivo; o volume financeiro necessário para uma correta execução e a capacidade de

internacionalização revelada pelas grandes empresas mundiais (Gann, 1994).

Para uma correta definição do sector da construção é necessário limitar a análise a três grandes grupos:

Segmentos de Produtos, Especificidades da atividade económica, agentes-chave e interações.

Segundo a análise estatística de numerosos mercados mundiais onde existe uma forte presença do sector

construtivo definem-se os seguintes segmentos de produtos:

Construção de Edifícios Residenciais e não Residenciais

Reabilitação, Manutenção e Reparação

Construção e Engenharia Civil

Este sector apresenta uma cadeia de valor muito extensa, recorrendo a uma ampla rede de inputs,

proporcionando o aparecimento de externalidades positivas às restantes atividades e gerando efeitos

multiplicadores significativos a montante e a jusante (Nunes, 2001).

7

É uma atividade económica com especificidades próprias, caracterizada por uma grande diversidade: de clientes,

com uma procura que vai do Estado ou das Autarquias ao particular que pretende autoconstruir, das grandes

empresas multinacionais aos pequenos promotores tradicionais; de projetos, onde cada obra apresenta,

geralmente, características diferentes, o que dificulta o desenvolvimento de produtos e processos de fabrico

normalizados; de produtos, que cobrem tanto a habitação tradicional como obras mais complexas, por exemplo,

estradas, edifícios inteligentes ou barragens; de operações produtivas, onde o produto final resulta da interação

entre várias especialidades com graus diferenciados de exigência e tecnologia; de tecnologias, em resultado da

intervenção numa empreitada de diversas especialidades e da coexistência de tecnologias de produção novas

com as antigas; de unidades produtivas, em que empresas com grandes meios e capacidades e tecnologicamente

evoluídas laboram a par de empresas com um aproveitamento limitado das tecnologias disponíveis e com

utilização abundante do fator mão-de-obra (Afonso, et al., 1982; Schartinger, 2010).

Esta atividade económica apresenta especificidades próprias definidas essencialmente por: (Manso, 1993)

Clientes, com uma procura que vai do Estado ou das Autarquias ao particular, que pretende

autoconstruir

Grandes empresas multinacionais, e pequenos promotores tradicionais

Projetos, onde cada obra apresenta, geralmente, características diferentes, o que dificulta o

desenvolvimento de produtos e processos de fabrico normalizados

Produtos, que cobrem tanto a habitação tradicional como obras mais complexas, por exemplo, estradas,

edifícios inteligentes ou barragens

Operações produtivas, onde o produto final resulta da interação entre várias especialidades com graus

diferenciados de exigência e tecnologia

Tecnologias, em resultado da intervenção numa empreitada de diversas especialidades e da

coexistência de tecnologias de produção novas com as antigas

Unidades produtivas, em que empresas com grandes meios e capacidades e tecnologicamente

evoluídas laboram a par de empresas com um aproveitamento limitado das tecnologias disponíveis e

com utilização abundante do fator mão-de-obra.

Na estrutura empresarial do sector construtivo predominam em número as pequenas e médias empresas com

pouco grau de especialização que recorrem com frequência a subempreitadas. No entanto são as grandes

empresas com caracter multinacional que dominam o sector em termos de faturação anual e de número de

obras executadas (da Cruz, 2007).

O sector Construtivo é bastante complexo, envolvendo numerosos agentes e interações no desenvolvimento e

produção de novos produtos. Este sector abrange desde o design dos edifícios e infraestruturas (serviços de

engenharia e arquitetura), à fabricação de produtos e equipamentos necessários à sua execução, até às

operações de manutenção e reparação dos mesmos (Seaden e Manseau, 2001).

8

Assim importa definir os agentes chave do sector e a forma como as interações se procedem. Os agentes deste

sector estão organizados através da sua posição na Supply Chain. Desta forma tornam-se mais claras as

interações existentes entre cada agente e de que forma contribuem para a produção de um produto finalizado

(InCI, 2012).

Os agentes referidos são:

Fornecedores de materiais de construção, que fornecem os materiais básicos para a construção,

nomeadamente o cimento, madeira e tijolo e aço;

Fabricantes de Maquinaria, que fornecem o equipamento pesado usado na construção, nomeadamente

bulldozers, guindaram, gruas;

Fabricantes de produtos/componentes de construção, que fornecem os subsistemas (produtos

complexos), nomeadamente sistemas de ar-condicionado, elevadores, sistemas de calor, janelas;

Sub-montadores, instaladores e especialistas, que trazem em simultâneo material e componentes para

criarem os tais subsistemas;

Organizadores e montadores, que iniciam novos projetos e coordenam a montagem global;

Operadores de construção e manutenção, que gerem os serviços de propriedade e manutenção;

Agentes e entidades de conhecimento/informação, nomeadamente cientistas, arquitetos, designers,

engenheiros, avaliadores, serviços de informação, associações profissionais, educadores;

Prestadores de bens e serviços complementares, tais como transporte, distribuição, limpeza,

demolição;

Atores institucionais, que providenciam as condições necessárias do ambiente de trabalho,

nomeadamente instituições financeiras, regulamentos gerais de trabalho, infraestruturas de

comunicação.

Seaden e Manseau apresentam uma sistematização lógica que sintetiza estes processos na Figura 2.2 onde são

visíveis os fluxos de informação e de bens e serviços entre as várias entidades, bem como a supply-chain que

define as interações presente em todas as fases do processo construtivo.

A procura dirigida a este sector depende diretamente do grau de desenvolvimento da economia, da conjuntura

económica e do montante das despesas públicas, ou seja, mais do que, em qualquer outro sector de atividade,

a sua evolução depende do montante e das fases de investimentos em outros sectores (Seaden e Manseau,

2001).

Assim, nos países menos desenvolvidos o peso da construção na atividade económica é baixo e cresce com o

desenvolvimento da economia. Por outro lado, nos países recentemente industrializados, a parcela afeta à

construção atinge os valores mais elevados e tende a decrescer com o aumento do desenvolvimento do país.

Quando os países atingem a industrialização avançada, o peso da construção na atividade económica entra em

declínio, o qual se acentua à medida que avança o grau de desenvolvimento. Esta evolução pode ser observada

na Figura 2.3.

9

Integração de produtos de construção

Reciclagem de produtos de construção

Figura 2.2 – Agentes Chave tipos de interações no sector da construção (Manseau, 1998)

Este tipo de atividade designa-se como pró-cíclica, ou seja, caracterizada por expansões mais marcadas que a

economia global em fases positivas do ciclo e recessões mais profundas em períodos negativos, podendo assim

a sua dinâmica ser utilizada como indicador de uma economia, ou um dos seus barómetros.

No contexto atual, os três principais mercados da indústria da construção são, por ordem decrescente: o Japão,

a União Europeia e os Estados Unidos da América. A importância da construção no PIB destes mercados ronda,

respetivamente, 18%, 10% e 11% (PIC, 1997). Tendo em conta que esta é uma indústria fortemente dependente

da procura induzida pelos poderes públicos e pelo investimento estes são valores muito próximos. Destaque-se

o abrandamento do crescimento nos EUA, uma queda do PIB no Japão e um crescimento mais moderado na

União Europeia com evoluções muito distintas nos estados membros. As economias emergentes também

desaceleraram, apesar dos países asiáticos continuarem com um elevado dinamismo influenciando

negativamente o sector.

Materiais de construção e equipamento

Componentes do edifício e

submontagens

Montagem de instalações e

desenvolvimento

Manutenção de funcionamento da

instalação e gestão

Condições de enquadramento:

Infraestruturas físicas e de comunicação

Instituições financeiras

Regulamentos de negócio e trabalho

Bens e serviços complementares Transporte,

distribuição, limpeza e alienação

Integração dos fluxos de informação

Conceção, design, engenharia e fiscalização

Códigos e normas construtivas, informação

Educação e formação

10

Figura 2.3 - Evolução da atividade do sector da construção por grau de desenvolvimento de um país (Liesner, 1989)

Desta forma para além de uma definição precisa também se torna possível identificar quais os modelos de

inovação mas eficientes nestas condições económicas. A análise seguinte tem como objetivo definir e

caracterizar os mercados da construção nos contextos Europeu e Nacional para que seja exista um conhecimento

sólido e individual da envolvente económica onde se pretende desenvolver e analisar o processo de inovação.

2.5.1 O SECTOR DA CONSTRUÇÃO NO CONTEXTO EUROPEU A principal diferença entre a indústria europeia e a dos outros dois grandes mercados reside no grau de

especialização e de normalização de processos e produtos que é menor na Europa.

Na Europa, após o boom verificado na segunda metade dos anos 80, o crescimento do sector da Construção tem-

se processado a um ritmo relativamente lento. As políticas restritivas levadas a cabo pela maior parte dos países

comunitários, tendo em vista a adesão à moeda única, continuaram a ter efeitos adversos no sector (Castellacci,

2004). O investimento privado suportou a construção não residencial privada e os trabalhos de reabilitação e

manutenção, enquanto a construção de edifícios residenciais manteve-se constante na década de 2000. A

construção não residencial pública e as obras públicas sofreram os efeitos negativos dos cortes nos investimentos

públicos na maior parte dos países, notando-se uma queda acentuada entre 2007 e 2009 na atividade do sector

neste segmento (Schartinger, 2010).

Pelo seu carácter estrutural na economia dos países, o sector construtivo apresenta uma forte interdependência

face aos ciclos económicos. A construção potencia os valores do crescimento económico, ao ponto de as

variações da atividade da construção serem significativamente ampliadas, positiva e negativamente,

respetivamente em fases ascendentes e descendentes do ciclo económico (ECTP, 2005; Miozzo et al., 2002). No

presente e, segundo dados do Euroconstruct, a produção da construção em 2012 para os países da UE caiu cerca

de 4,7%, prevendo-se que em 2013 a queda não seja tão acentuada, embora só seja previsível alguma

recuperação neste sector em 2014 com uma previsão de crescimento de 1,0%. A Figura 2.4 permite também

PES

O D

A C

ON

STR

UÇ

ÃO

NA

AC

TIV

IDA

DE

ECO

NÓ

MIC

A

PNB PER CAPITA

Países de recente

industrialização

Países menos

desenvolvidos

Países de

industrialização

avançada

11

concluir que o ano de 2009 foi drástico para os países da União, provocando recessões em vários Estados

Membros e conduzindo a quedas acentuadas na produção da construção.

Figura 2.4- Evolução das taxas de crescimento do sector da construção na União Europeia a 28 países e Portugal (Eurostat,

2013)

Relativamente à estrutura do mercado europeu, a maior parcela da atividade continua a ser relativa à reparação

e reabilitação, segmento que representa mais de 33% da atividade do sector, seguida de 26% no segmento de

edifícios residenciais, 21% no segmento de engenharia civil e 15% em edifícios não residenciais privados, como

pode ser observado na Figura 2.5.

Figura 2.5 – Peso dos vários segmentos da atividade na União Europeia a 27 países (Euroconstruct)

A nível de investimento a União Europeia apresenta uma parcela de 26% oriundo de fontes de investimento

público ficando os restantes 74% entregues a investimentos privados (Euroconstruct, 2013).

-20,0

-15,0

-10,0

-5,0

0,0

5,0

10,01

997

199

8

199

9

200

0

200

1

200

2

200

3

200

4

200

5

200

6

200

7

200

8

200

9

201

0

201

1

201

2Cre

scim

ento

an

ual

rel

ativ

o (%

)

Ano

EU 28 Portugal

26%

15%5%

21%

33% Edifícios residenciais

Edifícios não residenciaisprivados

Edifícios não residenciaispúblicos

Engenharia civil

Manutenção e Reabilitação

EU 27

12

O segmento habitacional (edifícios residenciais) tem-se ressentido negativamente dos efeitos das políticas

fiscais, bem como da incerteza quanto às perspetivas de emprego e de rendimentos, registando-se um

abrandamento nos últimos anos que deverá estabilizar nos 25%, enquanto o segmento de edifícios não

residenciais privados continua a apresentar um crescimento moderado na ordem dos 0,4% (Euroconstruct 2013).

Estas tendências de crescimento são amplamente analisadas pela Euroconstruct uma das maiores e mais

completas redes para previsão financeira, económica e de atividade na construção implementadas na Europa, e

podem ser consultadas nas Figuras 2.6 e 2.7.

Figura 2.6 - Variação na produção de edifícios residenciais na Europa (Euroconstruct, 2011)

Nota: (e) estimado (p) previsto

Esta repartição entre segmentos da construção pode ser explicado através de observações feitas ao mercado

europeu (Euroconstruct, 2013). Como constatado na Figura 2.8, a manutenção e reabilitação de edifícios tende

a dominar a atividade do setor da construção nos países com níveis de industrialização avançados e tem uma

importância crescente no tempo na preservação de património.

Figura 2.7 - Variação na produção de edifícios não residenciais na Europa (Euroconstruct 2011) Nota: (e)

estimado (p) previsto

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (e) 2013 (p) 2014 (p)Var

iaçã

o d

a p

rod

uçã

o (%

)

Construção nova Manutenção e Reabilitação Total Residencial

-20

-15

-10

-5

0

5

10

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (e) 2013 (p) 2014 (p)

Var

iaçã

o d

a p

rod

uçã

o (%

)

Construção nova Manutenção e Reabilitação

Total não Residencial

13

Os níveis de construção nova residencial e não residencial tendem a diminuir significativamente ao longo do

tempo, sendo, no entanto, dominantes em países em expansão e com processos de industrialização recentes.

Figura 2.8 - Evolução temporal dos segmentos construção nova e reparação e reabilitação (Bon, 1993)

De facto, os 27 países que constituem a União Europeia atingem em conjunto o patamar de zona de

industrialização avançada. As infraestruturas necessárias para atingir este patamar de industrialização e

desenvolvimento foram alcançadas com base em parcerias privadas e fundos estruturais comunitários, pelo que

deverá ser observado o crescimento do segmento de reparação e reabilitação nos próximos anos, juntamente

com maior aposta na área de investigação e desenvolvimento deste segmento (Squicciarini et al., 2009).

2.5.2 O SECTOR DA CONSTRUÇÃO EM PORTUGAL Não é possível falar do sector da construção nacional sem a sua envolvente europeia. Com a adesão à

Comunidade Económica Europeia (CEE) em 1986, Portugal beneficiou de importantes fundos estruturais (FEDER),

para promover o desenvolvimento das suas infraestruturas, o que levou a um forte desenvolvimento do sector

da construção civil e obras públicas sobretudo durante a década de 90. Tal situação teve importantes reflexos

quer na estrutura e modo de funcionamento das empresas do sector, quer na evolução do tipo e volume de

emprego no sector. Complementarmente, a implementação progressiva de liberdade de circulação dos cidadãos

de Estados membros da União Europeia (UE) após 1992 ou o alargamento da UE a novos Estados (1995) criaram

condições para o desenvolvimento de fluxos migratórios motivados pela evolução económica do sector da

construção na União Europeia (Teles et al., 1992; Gomes, 2013).

A estrutura do mercado nacional caracteriza-se por uma elevada dispersão, em que um número reduzido de

médias e grandes empresas assegura uma parte significativa da produção, e um elevado número de pequenas e

microempresas, muitas com um carácter quase artesanal, que asseguram, principalmente, as obras no mercado

regional e local, sendo um mercado menos fragmentado que o europeu (Lopes, 2000).

AC

TIV

IDA

DE

DO

SET

OR

DA

CO

NST

RU

ÇÃ

O

TEMPO

Nova Manutenção e

Reabilitação

Países de

recente

industrialização

Países de

industrialização

avançada

14

Figura 2.9 – Peso dos vários segmentos da atividade na União Europeia a 27 países (Euroconstruct, 2013)

Representados na Figura 2.9, os segmentos com maior peso no sector nacional são o residencial e a engenharia

civil, com 30% de quota cada, contrariando a Europa Ocidental, onde predomina a manutenção e a recuperação.

No caso português este segmento apenas representa 13% da atividade do sector, concluindo com 27% de

atividade para o restante segmento de edifícios não residenciais. Estas diferenças caracterizam estádios de

desenvolvimento económico distintos, correspondendo, de algum modo, a uma tendência de longo prazo de

aumento do peso da atividade de manutenção e recuperação na estrutura produtiva do sector à medida que se

verifica um maior desenvolvimento do país, como já foi referido (InCI, 2012).

A nível de investimento, Portugal apresenta uma parcela de cerca de 50% oriundo de fontes de investimento

publico ficando a outra metade entregue aos privados e possíveis parcerias. Neste investimento público está

incluída a parcela destinada à construção presente nos fundos comunitários, cerca de 52% do total de fundos

transferidos. Este facto torna o sector de construção nacional mais sensível a mudanças políticas de

investimento, à escassez de fundos estruturais comunitários, à dificuldade crescente no acesso ao crédito e à

própria conjuntura económica.

Devido a esse constrangimento, também o segmento da Reabilitação/Manutenção, que representa em Portugal

13% do total da produção do Sector (Euroconstruct, 2013), tem um peso bastante inferior ao da média

comunitária (défice de 20%), onde, na maioria dos países, este tipo de trabalhos representa a maior fatia do total

da produção do Sector.

O segmento de edifícios não residenciais públicos, que representa 12% da produção do Sector, e que

corresponde a escolas, hospitais e outros edifícios, revela um comportamento mais próximo do observado no

segmento da Engenharia Civil, isto é, dependente dos Fundos Estruturais e das restrições orçamentais.

Finalmente, a engenharia civil é o segmento que tem apresentado o comportamento mais dinâmico desde o

início da década de 90. A política de coesão económica e social levada a cabo pela União Europeia, e que se tem

30%

14%

13%

30%

13%

Portugal

Edifícios residenciais

Edifícios não residenciaisprivados

Edifícios não residenciaispúblicos

Engenharia civil

Manutenção e Reabilitação

15

traduzido na transferência para Portugal de avultados fundos estruturais, tem assumido um papel

preponderante na evolução positiva verificada.

Estas tendências de crescimento podem ser analisadas consultando os dados da Euroconstruct, e podem ser

consultadas no Figura 2.10 e Figura 2.11. É possível observar que o segmento dos edifícios residenciais, em

Portugal registou uma queda de cerca de 15,1% em 2011, tal como o segmento dos edifícios não residenciais

apresentaram em 2012 uma quebra significativa, de -12,8%. Estas quebras explicam-se principalmente pela falta

de investimento público nestes segmentos (Baganha et al., 2010).

Figura 2.10 - Variação na produção de edifícios não residenciais em Portugal (Euroconstruct 2011)

Estima-se uma aposta na recuperação do parque habitacional já construído que se traduzirá numa maior aposta

no segmento de reparação e reabilitação nacionais, enquanto se mantem a tendência de desinvestimento na

construção de edifícios não residenciais.

O sector da construção conseguiu ao longo da sua existência encontrar soluções para os desafios que se

propuseram, procurando inovar em todas as suas vertentes, desde materiais, a técnicas construtivas e utilização

e desenvolvimento de tecnologia. Os principais breakthroughs deste sector moldaram o que hoje conhecemos

como construção e engenharia moderna, interessando analisar os fatores que levaram a que estas inovações

tivessem sucesso e a história cronológica que lhes está associada.

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (e) 2013 (p) 2014 (p)

Construção nova Renovação e Reabilitação Total não Residencial

16

Figura 2.11 - Variação na produção de edifícios residenciais em Portugal (Euroconstruct 2011)

INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO A definição da inovação na construção tende a afastar-se um pouco das suas origens económicas focando-se

numa hierarquização definida por diferentes classes de inovação associadas à natureza dos produtos e métodos

inovadores desenvolvidos.

Seaden e Manseau (2001) resumem um conjunto de definições de inovação na construção.

“Aplicação da tecnologia que é nova para uma organização e que significativamente melhora o design

e construção de um espaço vivo diminuindo os custos instalados, incrementando o desempenho

instalado, e/ou melhorando o processo empresarial” (Toole, 1998);

“ A exploração bem-sucedida de novas ideias, onde as ideias são novas para uma empresa específica, e

são mais do que apenas tecnologia relacionada – novas ideias podem relacionar-se com o processo, o

mercado ou a administração” (CRISP, 1997);

“ Aplicar design inovador, métodos ou materiais para melhorar a produtividade” (CERF, 1993).

A inovação na construção tende a tornar-se uma aposta crescente num sector que procura modernizar-se e

atingir melhores padrões de qualidade e eficiência, aliados a uma procura incremental de sustentabilidade

económica, social e ambiental através do recurso às tecnologias mais avançadas.

2.6.1 HISTÓRIA DA INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO A inovação em tecnologias de construção foi responsável por sucessivas revoluções no sector dando origem a

uma era de construção moderna com responsabilidade ecológica e energética, sustentável e progressivamente

mais eficiente (da Costa, 2006).

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 (e) 2013 (p) 2014 (p)

Construção nova Manutenção e Reabilitação Total Residencial

17

Figura 2.12 - Cronologia das principais inovações do sector da construção

Do ponto de vista histórico é possível observar que as novas tecnologias que surgem no sector da construção

recebem algum tipo de proteção e apoio, nas formas de estímulos na procura de mercados específicos e

programas de desenvolvimento tecnológicos, com o objetivo de promover nichos para a implementação destas

tecnologias. Do ponto de vista cronológico é possível enumerar as principais inovações que tiveram um impacto

marcante no sector como se pode observar na Figura 2.12.

Inicialmente, com a introdução do cimento de Portland em 1824, foi possível o aparecimento de uma nova

geração de tecnologias e equipamentos que mudaram completamente a forma de pensar e executar obras de

engenharia. No primeiro quarto do século vinte foi inventada e introduzida a tecnologia de aço estrutural que

despontou uma nova vaga de revoluções nas tecnologias da construção. Durante o final dos anos setenta o sector

da construção atravessou um período de baixa produtividade que foi colmatado com mais inovações na

construção. Estas inovações focaram-se na organização e desenvolvimento de processos de fabrico dos vários

componentes necessários à construção introduzindo a pré-fabricação, normalização e automatização de

processos de fabrico e de construção (Arditi et al., 1997).

A pré-fabricação tornou-se possível com a evolução da tecnologia de engenharia, a normalização e a habilidade

para produzir materiais e componentes com tolerâncias fechadas e qualidade uniforme (Dolan, 1979). Esta

inovação permitiu a encurtar os prazos de execução de obra, mantendo um alto nível de qualidade construtiva

e aumentando independência de condições atmosféricas. A pré-fabricação está presente tanto em obras de

engenharia de grande dimensão, fornecendo por exemplo secções de tabuleiros de pontes, como pequenas

empreitadas, como são exemplos paredes divisórias com canalizações embutidas ou divisões inteiras pré-

fabricadas (WCs e quartos). Esta nova forma de produção teve um papel importante, devido à grande capacidade

de controlo de qualidade e intensiva produção em fábrica de componentes e subsistemas construtivos, no

desenvolvimento de sistemas de revestimento em vidro, pedras sintética e outros materiais compostos.

Num passado mais recente a inovação na construção tem seguido a um ritmo mais lento, mesmo com a aposta

e investimento em segmentos de IeD. No entanto o sector tem vindo a adotar incrementalmente novas práticas

de gestão, novas tecnologias relacionadas com materiais, equipamentos e componentes com design otimizado

1820 1830 1850 1880 1950 1980 1990

18

(Slaughter, 1998; Gann, 1994). Estas alterações refletem-se sobretudo na aposta em Tecnologias de informação

nas fases de projeto e execução de obra de forma integrada e em novos modelos de organização de supply chain

(Miozzo e Ivory, 2000).

A nível da inovação recente nas tecnologias da construção destacam-se as melhorias de desempenho dos

materiais tradicionais, com aços e alumínios de menor custo e menor peso a atingirem níveis de performance

superiores, vidros com melhor qualidade e resistência com menor custo de produção, utilização de plásticos em

materiais compósitos (incluindo o betão) aliados a novos ligantes e adesivos de alta resistência e fiabilidade

utilizados na sua produção.

As tecnologias de informação têm contribuído na integração de atividades ao longo de todo o projeto, e numa

crescente automação e otimização de projetos de engenharia. Esta otimização e automação dos projetos tem

tido como objetivo a redução de custos do projeto, tanto diretos como globais, recorrendo a engenharia

computadorizada, aplicações de base de dados e simulações de comportamento estrutural. Estes avanços

resultam em mapas de quantidades mais detalhados e fiáveis, integração de processos na elaboração de

projetos, controlo de qualidade elevado e previsão de custos e prazos na fase de execução da obra. Mais

recentemente as tecnologias de informação permitiram reduzir em 25% os prazos para os processos de

concursos, otimizando a utilização de recursos e melhorando as propostas finais apresentadas (Li, 2003).

Nas últimas quatro décadas uma das grandes inovações que se verificou relacionou-se com a gestão de projeto.

Esta inovação relaciona-se sobretudo com a componente organizacional. Novas práticas organizacionais e de

gestão vieram alterar a base das relações existentes entres as diferentes entidades no sector da construção. Esta

melhoria veio promover uma mudança nos habituais contratos praticados que seguiam todos um mesmo modelo

normalizado e independente da complexidade dos projetos. Assim, foram desenvolvidos modelos contratuais

personalizados e com maior envolvimento por parte do cliente, alcançando processos de construção e

responsabilidades diretivas mais unificadas, prazos de construção mais curtos e uma mais rápido retorno do

investimento (Miozzo e Ivory, 2000). Tal foi alcançado através de uma abordagem integrada aos contratos de

projeto e de construção. Previamente, o arquiteto, designado pelo cliente, elaborava o desenho inicial da

construção que servia como base para a elaboração de ofertas competitivas, ficando o concorrente vencedor

responsável por todo o projeto detalhado e o processo de construção especificado em estreita relação com o

cliente. A nova abordagem organizacional permitiu criar concursos com especificações técnicas mais detalhadas,

permitindo uma melhor articulação entre as funções do projeto e as funções da construção, e obrigando o

concorrente vencedor a ter um controle nos processos construtivos e comunicação mais eficaz com projetistas,

fornecedores de materiais e subcontratados (Russell et al., 2006).

O termo sustentabilidade aplicado à causa ambiental surgiu como um conceito tangível na década de 1980 por

Lester Brown. A sustentabilidade aplicada à construção é um conceito que promove intervenções sobre o meio

ambiente, sem esgotar os recursos naturais, preservando-os para as gerações futuras, relacionando as

componentes de engenharia e arquitetura. Tal modelo de construção utiliza eco materiais e soluções

tecnológicas inteligentes, que promovem a redução da poluição, o bom uso e a economia de água e de energia

19

e o conforto dos utilizadores finais. Esta inovação conceptual veio determinar novos objetivos para o sector da

construção onde se exige uma preocupação ambiental crescente. Esta abordagem veio fomentar o

desenvolvimento de materiais e tecnologias biocompatíveis integrados em todos os processos do sector, de

sistemas de redução e reutilização de recursos energéticos, aumento de qualidade e conforto de edifícios e

reutilização de recursos naturais e produtos de construção, devidamente enquadrados num framework legal

desenvolvido para pôr em prática este conceito e que se insere numa visão global para o futuro da construção

sustentável (Dewick e Miozzo, 2006). No passado recente um dos principais objetivos traçados para esta visão

passa por construir edifícios com impacto ambiental nulo. Os denominados edifícios verdes são construções que

utilizem maioritariamente recursos e materiais reutilizáveis e não poluentes na sua execução e que garantem

um nível de qualidade construtiva que permita o máximo conforto, térmico e acústico, recorrendo a fontes de

energia renováveis e sua eficiente gestão bem como utilização passiva de recursos naturais (iluminação natural,

reutilização de água e criação de espaços verdes).

A nível macroeconómico a inovação na construção contribuiu ativamente para um incremento no crescimento

da economia (Schumpeter, 1934) e um incremento na produtividade (Schmookler, 1952) ao longo do tempo.

Através da criação de produtos e serviços novos ou melhorados, reduções de custos de produção,

aperfeiçoamento de componentes e tecnologias fomentam um crescimento do mercado, maioritariamente de

forma incremental.

Ao nível da concorrência entre empresas (ou economia local) a inovação pode ajudar a cimentar posições

competitivas de empresas, sendo utilizada como vantagem competitiva e garantia de produtos distintos e de

qualidade superior aos existentes no mercado. Estas qualidades traduzem-se também em benefícios intangíveis,

tanto para os inovadores como os utilizadores de inovações, tais como aumento de reputação, facilidade de

trabalho e atração de clientes promissores (Ramcharan, 1997).

Este processo incremental e, por vezes radical, de inovações sucessivas garantiu o desenvolvimento do sector

construtivo, tanto a nível local como a nível global, com as oportunidades crescentes de internacionalização de

empresas e a aposta em inovação e investigação como garantia de competitividade e qualidade elevadas nos

mercados locais.

2.6.2 MODELOS DE INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO Os modelos apresentados são adaptados por vários autores para melhor satisfazerem as especificidades do

mercado da construção permitindo uma definição mais precisa dos vários tipos de Inovação ordenadas por grau

de complexidade e de alteração de processo ou produto (Gann, 1994; Slaughter, 1998; Seaden e Manseau, 2001):

A inovação incremental representa uma pequena alteração com impactos confinados ao

aperfeiçoamento de elementos ou componentes específicos.

A inovação modular representa uma mudança significativa do conceito básico mas mantem os impactos

confinados dentro os sistemas e componentes onde atua.

20

Maior complexidade Menor complexidade

A inovação arquitetónica representa uma pequena alteração a componentes ou sistemas requerendo

uma alteração mais significativa nas ligações e interações com outros componentes e sistemas.

A inovação de sistema representa uma profunda alteração na interação entre componentes, integrando

várias inovações num sistema complexo.

A inovação radical representa uma nova abordagem a problemas e requisitos do sector da construção

alterando a natureza da indústria.

Na Figura 2.13 está representada a escala dos vários tipos de Inovação de acordo com o seu grau de

complexidade. A inovação incremental, pelas suas características já descritas apresenta-se como o processo

menos complexo de todos. Aumentando o grau de complexidade do processo inovador surgem as inovações

modular, arquitetónica e de sistema, que culminam na inovação com o maior grau de complexidade, a inovação

radical.

Figura 2.13 - Escala de modelos de Inovação na Construção

2.6.2.1 INOVAÇÃO INCREMENTAL

A inovação incremental define-se como uma pequena mudança de processo ou de materiais, baseada na

acumulação de experiencia e conhecimento já existentes. Este tipo de inovação é o que ocorre mais

frequentemente e o seu impacto na indústria é previsível, interagindo com os componentes e sistemas já

implantados de forma natural e orgânica.

Figura 2.14 – Exemplo de redes de segurança “anti-queda” (Schartinger, 2010)

Incremental Modular Arquitectónica Sistema Radical

21

As inovações incrementais surgem fundamentalmente dentro de organizações que possuem o conhecimento,

experiencia e controlo de afetação de melhorias. Este tipo de inovação são muito comuns e frequentes no sector

da construção com origem nas empresas líderes de mercado (Myers e Marquis, 1969).

É exemplo de inovação incremental, na Figura 2.14, a introdução de um “corpete” de segurança para a prevenção

da queda, feito de material similar aos dos escaladores de montanha, que se traduziu numa melhoria incremental

ao nível do peso dos cintos de segurança da construção (Schartinger, 2010).

2.6.2.2 INOVAÇÃO MODULAR

A inovação modular traduz-se numa mudança significativa no conceito dentro do componente deixando as

ligações para outros componentes e sistemas inalterados. Assim, a inovação modular pode ser aplicada e

desenvolvida dentro de uma organização e implementada com o mínimo de negociação e interação com as

restantes partes envolvidas no desenvolvimento de outros componentes.

As inovações modulares surgem dentro de organizações com capacidades técnicas altamente especializadas,

com o apoio de fabricantes e fornecedores, geralmente envolvidas na investigação e desenvolvimento de

melhorias de conceito de elementos já existentes (Slaughter, 1998).

É exemplo de inovação modular, na Figura 2.15, a introdução do conceito “cast-in-place concrete” que consiste

na introdução de equipamentos para amarrar varões de aço através de arames, que reforçam a estrutura das

armaduras em peças pré-fabricadas de betão. Esta inovação origina uma mudança no conceito (processo) deste

componente através de equipamentos modernos e processos patenteados não alterando, no entanto, a

interação com os restantes componentes deste produto (Miozzo et al., 2000).

2.6.2.3 INOVAÇÃO ARQUITECTÓNICA

A inovação arquitetónica define-se como uma mudança no sistema ou produto que afeta positivamente as

ligações e interações entre componentes, com alteração pouco significativa dos componentes. Este tipo de

Figura 2.15 - Exemplo de um equipamento amarrador de varões de aço (Miozzo et al., 2000)

22

inovação exige que todas as interações entre componentes e sistemas sejam alteradas e modificadas de forma

a otimizar-se do desempenho final do produto criado.

As inovações arquitetónicas surgem de fontes diversas mas as modificações nas ligações e interações entre

elementos necessitam de organizações com conhecimento e controlo sobre os componentes e sistemas

afetados, tais como proprietários e contratantes (Slaughter, 1998; Freeman, 1989).

É exemplo de inovação arquitetónica, na Figura 2.16, a introdução do conceito “self-compacting concrete” que

consiste na introdução de produtos químicos no betão que lhe conferem as propriedades mecânicas necessárias

para que não necessite de ser compactado ou vibrado durante a sua execução. Neste caso todos os componentes

e sistemas inerentes à execução de betão armado têm de ser modificados para se ajustarem a nova composição

do betão (Henderson e Clark, 1990).

2.6.2.4 INOVAÇÃO DE SISTEMA

A inovação de sistema define-se como a integração de várias inovações independentes em sistemas complexos

que desempenham uma função com maior desempenho ou com maior grau de especificidade. Este tipo de

Inovação requer alterações nas ligações e interações entre componentes e sistemas, aparecendo

frequentemente no sector da construção como sistemas reconfigurados para desempenharem uma

determinada função específica do projeto que apoiam.

Figura 2.16 - Exemplo de Betão auto-compactável (Henderson e Clark, 1990)

Figura 2.17 - Exemplos de uma fábrica de betão pré-fabricado e elementos de betão pré-fabricados (Slaughter,

1998)

23

É exemplo de inovação de sistema, na Figura 2.17, a introdução da pré-fabricação de elementos de betão

armado, onde um conjunto de inovações independentes interagem para criar uma peça de betão armado com

toda a sua complexidade numa só linha de montagem contínua, tendo as matérias-primas como input e

elementos complexos de betão armado como output (Manso, 1993).

2 .6.2.5 INOVAÇÃO RADICAL

A inovação radical define-se como uma inovação profunda na ciência ou numa tecnologia ou processo que

frequentemente altera o carácter e a natureza da indústria. Este tipo de inovação acontece esporadicamente e

tem um impacto e periodicidade imprevisíveis, beneficiando o sector com novas maneiras de entendimento de

fenómenos e novas abordagens a resoluções de problemas.

As inovações radicais surgem geralmente de organizações com fortes competências científicas e de engenharia,

normalmente ligadas a industrias com grande aposta em investigação e desenvolvimento, ou I&D, e elevados

orçamentos, tais como materiais e comunicações (Slaughter, 1998).

É exemplo de uma inovação radical a introdução do aço estrutural que revolucionou o tipo de edifícios e

estruturas que podiam ser projetados e construídos. Como consequência surgiu toda uma nova indústria de

fabrico e comercialização de aço, tal como novos componentes e sistemas de construção que utilizaram as suas

propriedades estruturais únicas (Garcia et al., 2002).

A todos os tipos de inovação aqui definidos, correspondem fontes de inovação distintas e um tipo de

conhecimento necessário específico para que se possam desenvolver. Na Tabela 2.2 sintetizam-se os vários

modelos de inovação na construção de acordo com a fonte da inovação e com o conhecimento necessário para

a desenvolver.

Figura 2.18 - Exemplos de utilização de aço estrutural e de ligações metálicas (Garcia et al., 2002)

24

Tabela 2.2 - Fontes e conhecimentos dos modelos de Inovação na construção.

Modelos de inovação na

Construção

Fontes de inovação na Construção Conhecimento necessário

Incremental De dentro das próprias organizações Experiencia,

Controlo de afetar melhorias

Modular Organizações altamente

especializadas,

I&D,

Fabricantes e fornecedores

Competências técnicas e especializadas

Arquitetónica Proprietários,

Adjudicantes

Conhecimento e controlo sobre os componentes

e sistemas afetados

Sistema Organizações com capacidade de

implementação,

Relações fortes com proprietários

Competência técnica,

Conhecimento e controlo sobre os componentes

e sistemas afetados,

Autoridade organizacional

Radical Organizações de I&D,

Indústrias de I&D

Competências científicas e de engenharia

Ao nível das fontes de inovação na construção, quanto mais complexo é o processo inovador, maior é a

compromisso das organizações que o pretendem implementar, recaindo sobre estas a responsabilidade de

aposta em IeD e eficaz capacidade de implementação. Ao nível do conhecimento necessário para cada tipo de

inovação, torna-se óbvio que com a crescente complexidade do processo inovador acresce a necessidade de

competências científicas e técnicas superiores (Bossink, 2004; Von Hippel, 1988).

ESTRATÉGIAS DE INOVAÇÃO Como já foi referido, a inovação tem de ser encarada como um processo faseado e complexo que não só depende

da qualidade técnica e cientifica do produto ou processo criado como também das condições do mercado onde

irá ser implementado. Até agora a inovação foi estudada como um processo de invenção e analisadas as várias

características e dimensões que o definem. Neste capítulo pretendem-se caracterizar a segunda fase do processo

de inovação: a difusão.

2.7.1 DIFUSÃO DE INOVAÇÃO A difusão de uma inovação corresponde a taxa de adoção e aplicação de novas tecnologias (inovadoras) em

empresas, instituições ou pessoas, que provocam a sua propagação na sociedade. Esta propagação é atingida

através de interações humanas e comunicação entre as diferentes organizações dos sistemas económicos

(Everett, 1995).

Este conceito é essencial para o estudo da inovação pois, nem sempre os produtos ou processos inovadores com

melhores características de desempenho, qualidade e fiabilidade são aqueles que alcançam uma maior taxa de

adoção no mercado. Uma considerável variedade de tecnologias inovadoras na construção foram desenvolvidas

e tornaram-se disponíveis no mercado global nos últimos anos. A globalização criou oportunidades para as

25

indústrias se atualizarem importando tecnologia inovadora estrangeira. O sector da construção mantem-se

essencialmente uma industria local, adaptada a leis, regulamentos e instituições locais e a difusão de tecnologia

inovadora vai progredindo lentamente. Muitas oportunidades tecnológicas são desperdiçadas. O desafio passa

por introduzir e difundir oportunidades tecnológicas promissoras e assim tentar colmatar alguns problemas no

sector da construção. Novas necessidades continuam a surgir na sociedade moderna, seja por mudança nas

regras e regulamentos do sector, mudanças demografias e tecnologias, ou outros desenvolvimentos que

influenciam o processo de inovação (Vloerbergh, 2005).

Embora o recurso a artigos científicos e em publicações dedicadas ao sector seja a maneira mais comum de

difusão de inovações, o êxito está relacionado com o conceito de regime tecnológico e nicho tecnológico.

Regimes tecnológicos são vistos como um padrão composto por conhecimento, regras, regulamentos,

convenções, expectativas comuns e assunções existentes num sistema de Inovação, que caracterizam a prática

profissional e guiam o design e desenvolvimento mais aprofundado de inovações. Os regimes tecnológicos são

elementos fundamentais para a difusão, aceitação e aplicação de novas tecnologias, juntamente com a

importância de processos de aprendizagem interativos e o desenvolvimento e provisionamento de invenções

complementares (Breschi et al., 2000).

Um nicho tecnológico designa um cenário em que um certo tipo de tecnologia existe, ou é desenvolvida,

juntamente com outros tipos de tecnologias, servindo, no entanto, apenas um domínio limitado de aplicação.

Um nicho tecnológico é diferente de um nicho de mercado. O potencial de mercado (taxa esperada de retorno

de investimento) desempenha um papel importante nos nichos tecnológicos. Como os mercados, os nichos

tecnológicos são conduzidos por uma rede de agentes (sistemas de inovação ao nível das instituições) e por um

conjunto de assunções, standards profissionais e princípios (regimes tecnológicos). Estes agentes podem ter uma

dimensão, internacional, nacional, sectorial, empresarial ou baseada em projeto. Neste sentido, são criados e

geridos nichos, onde novas tecnologias têm a oportunidade de incubar e maturar através de processos de

experimentação gradual e formação dos vários agentes (Malerba et al., 1993; Egmond-deWilde de Ligny, 2008).

A difusão de uma inovação tecnológica é considerada um sucesso quando se encaixa no regime tecnológico

predominante que caracteriza a prática profissional dos atores presentes no sistema de inovação. Para que tal

aconteça, as inovações geralmente passam por um período de aplicação, experimentação e otimização, sendo

lançadas num mercado com um nicho tecnológico bem definido. Este período de implementação de uma

inovação permite que os agentes presentes no mercado global disponham de conhecimento e dados suficientes

para que considerem a tecnologia ou inovação vantajosa e passível de ser aplicada nas suas organizações com

sucesso e de competir no regime tecnológico presente no seu mercado. Assim, após a decisão de adoção de uma

inovação surge também uma necessidade de adaptações institucionais (na gestão, na organização e nos sistemas

de inovação implementados nas empresas), bem como uma colaboração estreita entre todos os agentes

(investigadores, produtores, construtores, reguladores e utilizadores finais) (Everett, 1995; Widén, 2007).

26

2.7.2 OPORTUNIDADES E BARREIRAS À INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO As limitações e incentivos impostos ao processo de inovação dependem de vários fatores interdependentes que

englobam a vertente tecnológica, económica e social. Estes fatores traduzem as características e tendências do

sector da construção que beneficiam ou prejudicam a inovação e permitem antever algumas tendências e

estratégias a seguir rumo a uma inovação crescente e sustentável (Arundel, 1997).

3.7.2.1 BARREIRAS À INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO

A adoção e desenvolvimento de inovações está relacionada com fatores afetos às empresas e ao mercado. Por

um lado, as características da empresa relativas a tamanho, tipo de atividade, localização e qualidade de gestão

afetam a adoção de novas tecnologias e inovação. Por outro lado, as condições de mercado relativas à estrutura,

taxa de crescimento, margens de lucro, custo de financiamento, risco, propriedade intelectual, regulamentação

e tipos de clientes (alta ou baixa tecnologia) restringem o tipo de tecnologias e inovação que pode ser

desenvolvida (Blackley et al., 1996). A estrutura fragmentada do sector contribui para impedir a difusão (Von

Hippel, 1988), juntamente com a complexa estrutura em rede do processo de produção na construção. Visto que

o produto final da construção é o resultado da contribuição coordenada de diferentes subempreiteiros, a

transferência de conhecimento, investigação e desenvolvimento torna-se um processo difícil e caro. Em qualquer

caso, e independentemente da dimensão da empresa, o sucesso da implementação de inovações baseadas em

projetos específicos depende apenas da capacidade da empresa (competências organizacionais e métodos

construtivos e de exploração), do ambiente onde opera e das características da inovação em si (Manley, 2008).

Apostar na inovação e no IeD é relativamente caro para empresas de construção, visto que os riscos inerentes à

inovação são repartidos com os produtores e não com os utilizadores finais (Widen et al., 2007). Neste sector

multi-tecnológico, as inovações de sucesso são baseadas na combinação de várias tecnologias já existentes e na

implementação de inovações de sistema, que procuram melhorar todo o processo de produção (Koivu et al.,

2001). As novas empresas que entram neste mercado muito orientado para custos baixos e margens de lucro

grandes, sentem-se desencorajadas a inovar, ainda mais quando enfrentam a necessidade dispendiosa de

certificação dos seus produtos, processos construtivos e práticas de gestão.

A produção baseada em projetos individuais enfraquece significativamente o processo de aprendizagem

essencial para que se desenvolva a investigação e inovação. Por um lado, este tipo de produção faz com que

muitas inovações utilizadas apenas em projetos específicos e com parecerias esporádicas entre organizações não

sejam replicáveis, tornando o conhecimento recém-adquirido difícil de integrar, desenvolver e transformar em

capacidades organizacionais duradouras. Por outro lado, o tamanho e a complexidade dos projetos também

influenciam a inovação. De facto, quanto maior a escala do projeto maior é a tendência para inovar. A inovação

tende a decrescer substancialmente quando se passa de grandes infraestruturas civis para estruturas e

instalações industriais e comerciais, sendo muito escassa em projetos residenciais e utilitários (Russel et al.,

2006). Assim as atividades ligadas à inovação passam a depender da seleção cuidada de projetos, do apoio da

estrutura organizacional, da existência de peritos capazes e em número suficiente e do envolvimento de product

champions (Blindenbach-Driessen et al., 2006).

27

Na Tabela 2.3 encontram-se resumidas as barreiras à inovação de acordo com as áreas onde surgem. As

características protecionistas e regulatórias do sector da construção, aliadas à interdependência técnica dos

vários atores e à inflexibilidade dos bancos, impedem as empresas, privadas e públicas, de sistematizar e

apropriar-se da experiencia e das inovações geradas ou adotadas em cada projeto.

A complexidade intrínseca das operações construtivas, aliada à tradicional independência das diferentes fases

de projeto e execução de obra, tornam-se barreiras ao investimento em geral e à inovação em particular. Estes

fatores não só enfraquecem inovações de larga-escala, como também dificultam a difusão de avanços

tecnológicos e organizacionais (Miozzo et al., 2000).

Tabela 2.3 – Resumo de barreiras à inovação

Economico /Financeiro Capital Humano Mercado Jurídico

Risco

Custo de capital

Custos ambientais

Custos sociais

Falta de incentivos

Segurança

Formação

Mão-de-obra não

qualificada

Adoção de novas

tecnologias

Processos/Produtos não

testados

Imperfeiçoes de mercado

Colaboração entre

organizações

Regulamentação excessiva

Regulamentação

ambiental pouco rígida

3.7.2.2 OPORTUNIDADES DE INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO

A nível social e económico, as grandes oportunidades de inovação estão ligadas às alterações recentes no clima

e na demografia da população global. A alteração da estrutura do sector da construção também cria certos nichos

com grande atratividade de investimento e potencial de inovação que, aliado a uma convergência de estratégias

e políticas por parte das entidades comunitárias no que toca ao desenvolvimento e modernização do sector,

contribuem para uma evolução positiva na investigação, desenvolvimento e inovação (Arundel, 1997; European

Commission, 1995).

A cooperação entre entidades e organizações é essencial que seja sustentável e contínua para que produza

avanços significativos e inovações de sucesso. Para tal é necessário envolver utilizadores finais e clientes em

todas as fases do processo de inovação.

Os promotores de inovação podem apoiar tanto o desenvolvimento de tendências já existentes como criar novas

tendências, podendo partir de dentro do sector ou de fatores externos. Os dois maiores promotores da inovação

podem estar relacionados com o desenvolvimento de investigação científica e tecnológica (promotores CeT)

relevante para o sector ou com a procura de novos produtos e processos, apoiados pelas preferências dos

consumidores e mercados (Miozzo et al., 2002).

As mudanças climáticas constituem uma oportunidade desafiante para o sector da construção a vários níveis:

28

Os projetos de construção tendem a ter um ciclo de vida maior que os expõe a condições climatéricas

mais extremas, devido a crescente volatilidade do clima (tempestades, cheias e temperaturas extremas)

O sector irá desempenhar um papel fundamental na redução da emissão de gases de efeito de estufa,

visto que a energia utilizada em edifícios é responsável por 45% da emissão deste tipo de gases na união

europeia (E-CORE Strategy, 2005) juntamente com o processo de fabrico dos muitos recursos utilizados.

A alteração demográfica global influencia o sector da construção. A estrutura demográfica Europeia tem

envelhecido e a estrutura da habitação pessoal sofrendo alterações, convergindo para habitações mais pequenas

e com menos ocupantes. Esta alteração na procura faz com que este tipo de construções sejam tendencialmente

mais acessíveis e em maior número, promovendo também a adaptação, remodelação e reabilitação de edifícios

antigos para o mesmo fim (E-Core Strategy, 2005). Esta alteração demográfica não afeta só o núcleo habitacional,

necessitando também de infraestruturas funcionais e de alta performance para satisfazer as crescentes

necessidades de agua, energia, mobilidade e circulação de informação.

Esforços adicionais serão necessários para atingir os requisitos modernos de baixo e eficiente consumo

energético. Na ótica europeia, grandes necessidades de reabilitação, mais desenvolvimento e limpeza das áreas

urbanas irão certamente estimular o mercado (E-CORE Strategy, 2005). Esta tendência fomenta não só

intervenções em edifícios mas também alterações no transporte urbano (construção nova, expansões e

atualizações dos sistemas de transporte) com intervenção nas infraestruturas que o servem.

A profissionalização de clientes é uma tendência chave no sector da construção. Caso os clientes ou entidades

adjudicantes tenham sucesso na definição de objetivos que envolvam altos padrões de qualidade e grandes

incentivos para inovar, serão os impulsionadores da mudança da responsabilidade e riscos inerentes ao projeto

de construção do cliente para o empreiteiro e respetiva supply chain. Para que tal aconteça, é necessário que

exista uma crescente formação e competência dos clientes, aliado a uma estratégia detalhada e definida de

inovação. Esta responsabilidade recai sobretudo para o sector público de construção devido à sua dimensão e

influência, devendo posteriormente ser seguido pelo sector privado (Schartinger, 2010; Russell et al., 2006).

Na área da eco inovação, a regulamentação governamental desempenha um papel fundamental para que se

estimulem inovações e criem padrões de sustentabilidade superiores (Bossink, 2004). Este tipo de estímulo serve

para captar o pequeno investimento privado de habitação unifamiliar, onde os clientes finais são na sua maioria

inexperientes, não cientes de inovações recentes, avessos ao risco e onde a relação qualidade-preço é o fator

decisivo na hora de investir.

A nível tecnológico, assiste-se no presente a uma evolução telescópica da tecnologia avançada disponível e com

crescentes aplicações na área da construção. O período de tempo necessário para o aparecimento e

desenvolvimento de novas tecnologias que revolucionam o sector é cada vez menor, criando a necessidade de

uma aposta cada vez maior e orientada na investigação em materiais, processos e métodos construtivos. Esta

aposta incide sobretudo nas tecnologias de informação, na biónica, na fabricação de novos e revolucionários

29

materiais com características muito distintas e utilizações que englobam todo o ciclo de vida da construção

(Afonso, 1998).

As tecnologias de informação integram atualmente uma grande parte da atividade do sector da construção

apresentando um grande potencial de desenvolvimento futuro (Li, 2003; Ramcharan, 1997; Miozzo et al., 1988).

Este potencial pode ser aproveitado e aplicado em várias áreas e com diversas metodologias:

Através da integração de tecnologias de informação, ou TI, em materiais e produtos de construção,

tornando-os inteligentes ou smart.

Através da coordenação e organização de comércio online de materiais e sua monitorização e processos

construtivos melhorando a eficiência de processos de entrega e, por conseguinte, otimizando a relação

procura-oferta.

Através de modelos paramétricos como o Building Information Modelling (BIM), que promovem o

envolvimento dos clientes através de dados e informação comum, acessível e transparente.

Através de realidade virtual e tecnologias de simulação, que permitem demonstrar o produto físico final

bem como o processo de montagem.

Através da integração na coordenação de vários sistemas de infraestruturas diferentes, como redes

abastecimento de água, redes de esgotos e distribuição de energia, melhorando o abastecimento e

mobilidade dos recursos, bem como o nível de serviço.

A fabricação avançada beneficia de novas técnicas e tecnologias para atingir níveis elevados de qualidade e

competitividade na produção de componentes para a construção e desenvolvimento de processos construtivos

com preços competitivos e acessíveis. Estas novas técnicas e tecnologias terão que envolver o desenvolvimento

de produtos e materiais com propriedades melhoradas ou especiais, como resistência ao fogo, isolamento,

durabilidade, resistência mecânica e corrosão, com baixos custos efetivos de produção (Schot et al., 1996; Landin

et al., 2007).

Tendo em conta os recentes desenvolvimentos de materiais e produtos avançados, é possível analisar as

oportunidades de inovação em materiais segundo duas vertentes: a evolução e a revolução. A evolução dos

materiais corresponde ao desenvolvimento mais aprofundado de materiais “clássicos” como o aço, cimento e

vidro. A revolução dos materiais consiste na criação de novos materiais, geralmente compósitos ou ligas, com

propriedades extraordinárias como baixo peso e pequeno tamanho (nano-materiais). Os materiais orgânicos

como a madeira também podem ser tecnicamente melhorados e são muito atrativos para o sector. No entanto,

não só os materiais compósitos estão em destaque, muitos esforços estão concentrados no desenvolvimento de

materiais inteligentes, ou smart-materials, com micro sensores integrados que permitem uma melhor

monitorização e consequente manutenção das estruturas onde são utilizados (Soetanto et al., 2009).

A habilidade para analisar e modificar matéria numa escala cada vez mais pequena aumenta as possibilidades de

desenvolvimento de novos materiais com características singulares. É agora possível manipular estruturas

moleculares e atómicas com o objetivo de melhorar as suas propriedades. O desenvolvimento da nanotecnologia

30

pode resultar em novos materiais de construção através do uso de nano-partículas, nanotubos e nano-fibras,

oferecendo novas combinações de resistência e durabilidade aplicáveis a materiais tradicionais como o betão e

outras superfícies como o vidro com benefícios energéticos e mecânicos (Freeman, 1989; Hennetier, 2012).

A biónica como trajetória tecnológica utiliza a natureza como fonte de inspiração no desenvolvimento de

propriedades especiais em materiais, estruturas, processos, algoritmos, métodos, ferramentas, mecanismos e

sistemas. Os princípios retirados da natureza são transformados em soluções técnicas utilizando materiais

sintéticos. As plantas, com a sua estrutura estável e flexível, podem servir como modelo para novas construções

de edifícios de grande altura, as estruturas de nichos de térmitas, podem servir como base de modelos de

economia de energia através de sistemas de ventilação e arrefecimento (Schartinger, 2010). Existem exemplos

de sucesso que seguiram este tipo de abordagem:

Edifícios equipados com fachadas e coberturas que respiram e permitem a ventilação natural, baseados

nos princípios e métodos retirados do sistema respiratório de mamíferos.

Materiais de construção ultra leves

Edifícios de altura elevada com estruturas, princípios, formas e materiais, baseados na natureza

Sistemas de ventilação de edifícios inspirados em sistemas de vias aéreas em habitats de insetos com

alta grande eficiência na utilização de energia natural e artificial.

2.7.3 INVESTIMENTO NA INOVAÇÃO Como já foi apontado, a inovação é um processo contínuo e complexo que envolve várias etapas com o objetivo

de produzir um produto ou um processo com sucesso no mercado. No caso da Inovação da construção, a relação

da inovação com a ciência e a investigação é crucial, adquirindo uma grande importância na fase de conceção e

desenvolvimento da Inovação. Esta investigação tanto pode ser desenvolvida a nível privado, através de centros

de investigação e desenvolvimento (IeD) e laboratórios privados, como a nível público, através das universidades,

institutos e laboratórios públicos. Desta relação entre ciência e inovação resultam proveitos para ambas as

atividades (Arundel, 1997).

A investigação científica requer constante investimento para que produza resultados com qualidade e fiabilidade,

e também objetivos definidos, quer sejam de índole experimental, como por exemplo a caracterização exaustiva

de materiais compósitos ou novos materiais em termos térmicos, acústicos, mecânicos ou de comportamento,

como também de índole teórica, como por exemplo o estudo de novas abordagens e soluções para problemas

existentes e o estudo de novos conceitos organizacionais, estratégicos ou produtivos para aplicação no sector

construtivo (Miozzo et al., 2002; Afuah, 1998).

As entidades públicas e privadas que investem neste tipo de investigação procuram obter produtos ou processos

inovadores que possam ser utilizados como vantagem competitiva em relação aos seus concorrentes, optando

ocasionalmente na proteção de propriedade intelectual. Através de uma estratégia de investimento, cada

entidade foca-se na área de investigação que mais garantia de resultados lhe pode proporcionar, sendo, no

entanto, o investimento público, através das universidades e laboratórios nacionais, aquele que corre mais riscos

31

apostando num investimento transversal a todas as áreas que nem sempre resultam em produtos ou processos

inovadores mas contribuem para aumentar o conhecimento cientifico global (Cohen et al., 1989). O fluxo de

ideias e inovações entre o universo académico e o universo empresarial parece ser exclusivo a algumas empresas

construtoras bem estabelecidas (Gann, 2001). Apesar do papel crucial de especialistas técnicos, apenas algumas

empresas têm nos seus quadros cientistas qualificados capazes de absorver e aplicar os resultados da

investigação académica.

Esquemas de incentivo adequados são direcionados para endereçar o problema da falta de interações entre

estes dois universos. Subsídios públicos diretos são utilizados no fomento destas colaborações e inovações. Da

mesma forma, o investimento na componente educacional e formação contínua dos profissionais no sector

aumenta a capacidade de absorção tecnológica das empresas de construção (Cohen et al., 1989) e a sua

capacidade e motivação para participar em colaborações interdisciplinares com o objetivo de inovar.

Cerca de 75% dos projetos de investigação dependem de investimento externo, o que mostra um grande

interesse por parte da indústria em I&D. Tipicamente estes projetos beneficiam de apoios de associações de

produtores, institutos de formação e empresas, que contribuem com dados, serviços de comércio, redes de

negócios e consultoria em matérias ligadas a casos de estudos, regulamentação e certificação. Este tipo de

colaboração permite o aumento e melhoria das redes de investigação e ajuda na difusão de produtos e processos

inovadores (Bossink, 2004; Portugal, 2012).

Figura 2.19 - Ciclo de investimento e retorno na inovação

Embora se registe uma colaboração bastante positiva entre instituições de investigação ligadas ao sector publico

e empresas de construção, existe uma necessidade de garantir maior investimento e por maiores períodos de

I&D e Investigação

Produtos e processos inovadores

Entidades financiadoras

Desenvolvimento de

investigação científica

em áreas de interesse ou

com objetivos definidos.

Utilização das

inovações como fator

competitivo no

mercado com retorno

de investimento.

Investimento em

investigação científica

recorrendo a agentes

públicos ou privados.

Incentivos e

estratégias de apoio à

inovação

32

tempo na I&D. As autoridades públicas gerem este investimento através de incentivos e estratégias de apoio a

inovação.

2.7.3.1 INCENTIVO E ESTRATÉGIAS DE APOIO À INOVAÇÃO

A nível comunitário foi recentemente definida a estratégia para a União Europeia em matéria de inovação,

através da comunicação da comissão Europeia: Agenda Europa 2020. Nesta comunicação são definidas

estratégias económicas e sociais que englobam todos os sectores da economia comunitária. Para o sector da

construção e inovação são definidos os seguintes objetivos:

Investir pelo menos 3% do PIB da UE em I&D

Cumprir os objetivos em matéria de clima/energia «20/20/20»

Através das seguintes iniciativas:

Uma União da inovação – recentrar a política de I&D e inovação nos principais desafios sociais,

colmatando o desfasamento existente entre ciência e mercado, transformando as invenções em

produtos. A título de exemplo, a patente comunitária poderia traduzir-se numa economia anual de 289

milhões de euros para as empresas.

Uma Agenda digital para a Europa – retirar de forma sustentável benefícios económicos e sociais do

mercado único digital com base na internet de alta velocidade.

Uma Europa eficiente em termos de recursos – apoiar a transição para uma economia hipo carbónica e

eficiente na utilização de recursos. A Europa deve manter-se fiel aos objetivos que fixou para 2020 no

domínio da produção, eficiência e consumo de energia. Com metas de redução da emissão de gases de

estufa em 30% e de consumo de energia de fontes renováveis a 20%.

Uma política industrial em prol do crescimento verde – contribuir para a competitividade da indústria

da UE no mundo que emergirá da crise, promover o empreendedorismo e desenvolver novas

qualificações.

Esta comunicação permite que os vários países membros da União Europeia alinhem as suas estratégias e

sistemas de inovação com vista a uma especialização inteligente, que consiste numa aposta estratégica em áreas

e sectores específicos em cada região, devidamente priorizados e definidos, para que sejam atingidas as metas

globais promovidas pela EU.

A nível nacional, várias agências estão ligadas à implementação das estratégias europeias, o que se traduz numa

gestão dos fundos estruturais comunitários disponíveis de apoio à inovação e também na definição e

implementação de uma estratégia nacional devidamente adaptada à realidade do país. Destas agências

destacam-se a Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), a Agencia de Inovação (Adi) e o Quadro de Referência

Estratégica Nacional (QREN). A FCT assume o papel de agência pública mais importante pois, embora tenha uma

ação integrada com os seus parceiros institucionais, é a dinamizadora de todas estas agências, com a

responsabilidade de gestão e otimização dos recursos existentes e planeados.

33

Graças a uma política de investimento sustentado em investigação e desenvolvimento, o sistema de investigação

e inovação português tem atingido as suas metas em vários componentes, nomeadamente ao nível da melhoria

dos resultados em educação terciaria, e publicações internacionais, bem como no aumento dos recursos

humanos afetos a atividade de I&D. Contudo os resultados relacionados com a intensificação tecnológica da

economia não têm acompanhado o crescimento da base científica.

A FCT, sendo a principal agência de financiamento público da ciência nacional, assume um papel central no sector

público de investigação e inovação. A atuação da FCT assenta em seis pilares:

Pessoas (através da criação de capital humano altamente qualificado);

Ideias desenvolvidas em projetos de investigação;

Instituições internacionalmente competitivas;

Transferência de tecnologia entre a academia, o tecido empresarial e a sociedade;

Cooperação internacional;

Dinamização da rede nacional e internacional de ciência, tecnologia e sociedade, através do apoio e

acesso a meios computacionais avançados e da coordenação das políticas para a sociedade da

informação.

Como parte da preparação da estratégia nacional de investigação e inovação para uma especialização inteligente,

condicionalidade ex-ante para o novo período de acesso a fundos estruturais 2014-2020, a FCT apresentou

recentemente a sua estratégia para o sistema de inovação português. Concluindo que Portugal tem um sistema

de investigação e inovação completo, a estratégia passa por potenciar o crescimento do sistema de investigação

e inovação aumentando a competitividade internacional da ciência que se realiza em Portugal (Seabra, 2013).

A ciência e a tecnologia nacional têm contribuído de forma assinalável para a intensificação tecnológica da

economia. De salientar as ciências da engenharia e tecnologia, que assumem um papel de destaque pela sua

capacidade de mobilização de recursos humanos e financeiros. E por isso a ciência tem sido a base para o

crescimento das atividades económicas intensivas em tecnologia contribuindo para o desenvolvimento

económico.

O próximo período de programação dos fundos comunitários 2014-2020 revela-se um instrumento de valor

inquestionável para Portugal, com o objetivo de impulsionar a convergência de estratégias de inovação e

investigação com os restantes parceiros europeus. A especialização inteligente adquire grande importância pois

permite o foco nas áreas de maior potencial de desenvolvimento endógeno identificadas no decurso da

realização de um criterioso exercício, criando uma nova agenda de transformação económica. O enfase é dado

às relações entre atores e instituições sendo necessário estreitar as ligações entre ensino superior e ciência, com

o reforço da participação em redes de investigação internacionais, entre a ciência e as Empresas, com interação

da I&D e da inovação, e entre as instituições e fontes de financiamento, apostando na cooperação entre

universidades e ministérios alinhavados com os fundos provenientes do orçamento de estado, fundos da política

de coesão e outros fundos comunitários.

34

Destes numerosos atores e instituições, existe um particular destaque para as entidades do sistema científico e

tecnológico, cuja diversidade e progressiva especialização tem permitido assegurar, de forma cada vez mais

estruturada, uma função de aconselhamento, intermediação e desenvolvimento colaborativo, indispensável a

definição e operacionalização de estratégias empresariais inovadoras (Costa, 2013).

Embora a implementação desta estratégia e priorização das infraestruturas de investigação esteja em curso já é

possível delinear o percurso esperado para que este ideal seja real num futuro próximo. Os principais focos desta

estratégia passarão por desenvolver o sistema de inovação português através do uso eficiente e combinado das

fontes de financiamento, servindo as necessidades centrais da comunidade de investigação e inovação e

apoiando a investigação de excelência.

Assim a investigação científica torna-se um dos maiores motores para o desenvolvimento de inovações no sector

da construção, beneficiando do investimento e incentivo de várias entidades que lhe garantem um fluxo contínuo

e progressivo de desenvolvimento da sua área de estudo, retribuindo com produtos e processos inovadores com

os quais as entidades financiadoras lucram e utilizam como fator diferenciável de competitividade e qualidade

no mercado da construção.

CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste capítulo foi cuidadosamente caracterizada a teoria da inovação, sendo apresentados os vários modelos

que a representam, a nível global, através do modelo de Chandy e Tellis (1998), e ao nível do sector da

construção, através dos modelos propostos por Seaden e Manseau (2001). Com base nos modelos caracterizados

é feita uma análise das inovações de sucesso na construção civil que não só revolucionaram o sector no aspeto

tecnológico e organizacional mas também promoveram alterações na relação entre os agentes dominantes e os

clientes finais.

A aplicação destes modelos à realidade atual implica uma análise sucessiva dos sectores da construção europeu

e nacional e da sua evolução num passado recente que, apesar da fase recessiva que atravessam, têm feito

esforços consideráveis para promoverem a inovação como uma das principais soluções de crescimento. Este tipo

de aposta requer uma estratégia concertada para que a inovação se torne um fenómeno cíclico, eficiente e

replicável, devidamente integrado na envolvente económica, social e tecnológica. Nesta fase ganha maior

importância a influência das estratégias definidas a nível europeu pela Agenda 2020 que, aliadas a um grande

volume de financiamento, definem com grande pormenor o rumo a seguir na inovação na construção.

É então definido o processo de implementação de inovações no sector, denominado difusão da inovação,

expondo as oportunidades e barreiras existentes nesta fase, que contribuem para uma real perceção dos fatores

que influenciam o sucesso da inovação, e os agentes que nela intervêm, analisando as relações entre as

instituições de investigação, as instituições financiadoras e a envolvente institucional responsável pelo incentivo

e apoio à inovação.

Pretende-se, no próximo capítulo, escolher e analisar novas tecnologias e soluções que possam ser aplicadas à

construção de edifícios que sejam não só inovadoras, mas que também sejam fáceis de implementar no setor da

35

construção. Seguindo a estratégia de inovação e de difusão da inovação previamente definidas é proposto o

conceito de eficiência inteligente que propõe métodos de construção de edifícios, soluções que promovem a

eficiência energética e sistemas de informação como contribuição para uma próxima fase inovação na

construção bem-sucedida.

37

3. EFICIÊNCIA INTELIGENTE

CONSIDERAÇÕES GERAIS A Agenda 2020 define, através de metas e objetivos propostos, as áreas da construção e engenharia civil que

irão receber principal foco e apoio por parte das instituições nacionais e comunitárias para os próximos 6 anos.

As principais preocupações deste plano estratégico centram-se na construção sustentável, eficiência energética,

fontes de energia renováveis e reabilitação de edifícios e estruturas, que são traduzidos na forma de incentivos

para o investimento na I&D de novos produtos, em projetos inovadores, em tecnologias limpas e com baixas

emissões de carbono. A modernização dos processos de patentes e direitos autorais e melhoria do acesso de

PMEs a sistemas de proteção de propriedade intelectual e capitais de investimento são igualmente essenciais

neste processo.

A União Europeia foi das primeiras impulsionadoras de soluções “verdes” na construção, competindo agora com

países como a China e a América do Norte pela liderança deste segmento de mercado caracterizado por uma

grande intensidade tecnológica e alta eficiência de recursos. Para que esta liderança seja uma realidade existe

uma aposta comunitária em tecnologias inovadoras, com grande eficiência energética, baixas emissões de

carbono e capazes de produzir energia limpa.

OBJETIVO O objetivo da visão proposta passa por estruturar uma abordagem, com vários níveis de atuação com vista a

alcançar os objetivos definidos por esta estratégia comunitária, a Agenda 2020. Relevantes para a construção e

engenharia civil são os seguintes objetivos propostos para 2020:

1. Baixar consumo energético em edifícios públicos e privados em 20%

comparativamente aos valores atuais.

Para o cumprimento deste objetivo é sugerida uma melhoria das construções com sistemas que contribuam

ativamente na redução do consumo energético de edifícios. São também sugeridas melhorias substanciais no

processo de reabilitação de edifícios que contribuam ativamente para alcançar este objetivo. É também

recomendado o cumprimento obrigatório de critérios energéticos em construções públicas novas como forma

de promover a uma liderança pelo exemplo do sector público que se estenderia de forma gradual ao sector

privado.

2. Reduzir as emissões de gases de estufa em pelo menos 20% comparado com

os níveis de 1990.

38

Sendo este um objetivo transversal a todos os sectores produtivos da economia é possível transpor para a

construção como um aumento da eficiência energética de edifícios. Para tal, torna-se necessária uma aposta em

materiais, sistemas e soluções construtivas que melhorem o desempenho de edifícios e facilitem a reciclagem

dos materiais recuperados, minimizando os resíduos e aumentando o ciclo de vida dos produtos da construção.

3. Uma Europa eficiente e inteligente na utilização de recursos.

São promovidas soluções verdes e de baixo impacto ambiental que contribuam para uma economia mais

competitiva e aproveitem a dimensão local para uma utilização mais eficiente dos recursos e meios de produção

locais. A utilização de métodos de fabrico avançado como pré-fabricação e materiais compósitos baseados em

recursos reutilizáveis e recicláveis, que contribuam para redução de resíduos na construção de edifícios e para

uma economia de crescimento sustentável são o foco principal deste objetivo.

METODOLOGIA PROPOSTA O conceito de eficiência inteligente proposto nesta dissertação surge como um ponto de partida para a definição

de uma estratégia concreta, nacional e comunitária, para que estas metas propostas sejam atingidas de uma

forma progressiva, flexível e eficiente. O domínio de aplicação restringe-se a edifícios públicos e privados,

residenciais e não residenciais, visto tratarem-se das estruturas dominantes no parque construído e com maior

potencial de implementação de inovações.

Aliam-se a visão e progresso recente de três áreas de investigação de engenharia civil e construção: sistemas

construtivos, eficiência energética e tecnologias de informação como representado na

Figura 3.1.

Objetivos Sistemas

construtivos

Eficiência

energética

Sistemas de

informação

Baixar consumo energético de edifícios

● ●

Reduzir as emissões de gases de estufa

● ●

Eficiente e inteligente utilização de recursos

● ●

Figura 3.1 – Âmbito e hierarquização das tecnologias selecionadas

Este conceito alia as práticas de construção eficiente a sistemas construtivos inovadores e tecnologias de

informação que contribuem não só para a sustentabilidade e durabilidade na construção, mas também para uma

maior flexibilização na utilização, reabilitação e manutenção de edifícios. A forte componente tecnológica e

presença de sistemas de informação e automação permitem obter uma alta eficiência energética em edifícios de

Sistemas de informação

Eficiência energética

Sistemasconstrutivos

39

uma forma adaptável e reativa. Esta abordagem possibilita uma especialização inteligente do sector construtivo

com grande potencial de exportação de conhecimento, experiência e tecnologia entre estados membros.

SELEÇÃO DE TECNOLOGIAS A seleção de tecnologias surge após uma extensa pesquisa dos recentes desenvolvimentos de soluções para

edifícios e encontra-se resumida na Tabela 3.1.

Na área de sistemas construtivos analisam-se métodos e soluções construtivas que promovam a flexibilização

dos edifícios a nível construtivo e maximizem a utilização do espaço com ciclo de vida longo, aproveitando

tecnologias de fabricação que minimizem os desperdícios e utilizem os recursos de forma eficiente e inteligente.

A nível da eficiência energética selecionam-se tecnologias baseadas em sistemas de monitorização e controlo

das condições térmicas, de ventilação e luminosidade dos edifícios que consigam responder ativamente às

mudanças do meio envolvente e que mitiguem os consumos energéticos. Os elementos onde estas tecnologias

e matérias se manifestam mais eficientes são nos sistemas de distribuição, sistemas de

aquecimento/arrefecimento, de iluminação e na envolvente do edifício, nomeadamente, fachadas, cobertura e

envidraçados.

Tabela 3.1 – Resumo das tecnologias selecionadas

Métodos construtivos Sistemas de distribuição integrados Núcleos de serviços centrais Pré-fabricação Construção modular Fabricação avançada

Eficiência energética Painéis de isolamento a vácuo Aerogel Materiais de mudança de estado Janelas inteligentes Ventilação natural Sistemas óticos de iluminação natural Sistemas dinâmico de eficiência energética

Sistemas de informação Sistemas de monitorização e otimização de consumo Sensores e interfaces Sistema de automação de edifícios

Na área das tecnologias de informação é necessária uma abordagem global para a seleção de tecnologias. Sendo

um ponto fulcral do conceito de eficiência inteligente, são analisados sistemas que melhoram a produtividade e

eficiência na construção em todas áreas previamente mencionadas. Para tal, estes sistemas beneficiam de uma

integrabilidade e complexidade elevada que permitem obter processos simples e eficazes de monitorização e

automação dos sistemas integrantes de edifícios aliados a uma intuitiva interação com o utilizador final.

40

FOCO DA METODOLOGIA As pequenas e médias empresas nacionais e comunitárias (PMEs) são os organismos capazes de implementar a

estratégia proposta, focando-se na construção de edifícios residenciais e comerciais. Constituindo cerca de 80%

do sector empresarial, estas PMEs têm grande potencial para implementarem estas inovações e tecnologias

propostas devido ao seu carácter local e renovado acesso a mecanismos de financiamento desenvolvidos a nível

nacional e comunitário.

As pequenas e médias empresas apresentam elevada facilidade em adotar novas tecnologias e técnicas

construtivas necessitando apenas da quantidade certa de incentivos, sejam eles financeiros ou sociais, e de

informação disponível que permitam uma evolução das empresas em termos tecnológicos, técnicos e de

formação profissional.

Considera-se que estas empresas são as mais capazes de se aproximar dos centros de investigação,

nomeadamente as universidades e laboratórios de investigação, e conjuntamente desenvolver soluções

inovadoras na construção de edifícios. Assim pretende-se que sejam estas empresas as responsáveis pela difusão

das inovações a nível nacional, participando na fase de incubação e maturação das tecnologias como se

representa na Figura 3.2.

Figura 3.2 – Importância das pequenas e médias empresas (PMEs) no processo de inovação na construção

Ao apostar neste segmento dominante promove-se a internacionalização das PMEs, pois com a experiencia e

know-how adquiridos em tecnologias e sistemas técnicos torna-se possível a exportação de conhecimento, um

valor inquestionável para a economia nacional e europeia, e difusão alargada de tecnologias com padrões de

sucesso para outros mercados comunitários.

MÉTODOS CONSTRUTIVOS Na área dos sistemas construtivos as tecnologias consideradas giram em torno do conceito de edifício flexível.

Atualmente os edifícios são concebidos como estruturas estáticas e permanentes sendo, no entanto, necessário

inve

nçã

o

Centros de investigação

Dif

usã

o

PMEs do sector da construção

Imp

lem

enta

ção

Mercado nacional e europeu

Inovação na construção

41

preparar os edifícios para mudanças em termos de requisitos dos ocupantes e da degradação dos componentes

mais dependentes da tecnologia.

O edifício flexível é um sistema construtivo que visa prever a transformação espacial, a transformação estrutural

e a transformação de componentes e materiais ao longo da vida útil, manipulando os fatores associados à sua

conceção que afetem positivamente a sua flexibilidade.

O conceito baseia-se no princípio de conceção e construção de edifícios por camadas, isto é, numa divisão dos

elementos do edifício com o objetivo de os tornar independentes do ponto de vista da manutenção e adaptação

a diferentes utilizações. Desta forma pretende-se aumentar o ciclo de vida das construções tonando-as aptas

para vários tipos de utilização e ocupação. Esta abordagem permite reduzir o impacto dos trabalhos de

manutenção, reparação e substituição destes elementos, devido a utilização de ligações entre os vários

elementos, minimizando o custo e o tempo de execução. Os vários elementos do edifício são categorizados de

acordo com o seu tempo de vida útil e assim identificados nas várias camadas do edifício. Neste sentido, seguindo

o princípio de edifício aberto e flexível definem-se os vários níveis independentes, representados na Figura 3.3.

Figura 3.3 – Diferenciação entre as várias camadas do edifício de acordo com o tempo de vida útil dos elementos

1º Nível - Estrutura, que inclui as fundações e a superestrutura com um tempo de vida útil de entre 50

e 100 anos. Este nível utiliza preferencialmente ligações do tipo químicas entre os seus elementos.

2º Nível - Fachadas, revestimentos, cobertura, envidraçados e sistemas de distribuição com um tempo

de vida útil entre 25 anos. Este nível beneficia de ligações indiretas via componente químico ou de

ligações diretas com dispositivo de fixação entre os seus elementos.

3º Nível - Serviços de tecnologias de informação, sistemas elétricos e paredes interiores com um tempo

de vida útil entre 8 e 10 anos. Este nível utiliza ligações indiretas que recorrem a componentes terciários

de ligação e fixação que permitem uma multitude de disposições no espaço.

4º Nível - Acabamentos, mobília e equipamentos com um tempo de vida útil entre 2 e 8 anos. Este nível

não utiliza qualquer tipo de sistemas de ligação entre os seus elementos.

42

Assim analisam-se soluções flexíveis, com potencialidade de aplicação tanto em edifícios novos como

em reabilitação e que respeitem esta hierarquia de elementos nas áreas de eficiência energética e

tecnologias de informação.

As soluções construtivas analisadas visam sobretudo garantir um menor desperdício nas fases de construção e

exploração dos edifícios, permitindo que tenha vários tipos de ocupação sem ter que recorrer a processos

complexos de construção. Os sistemas abordados estão descritos na Tabela 3.2 e as suas características são

retiradas da bibliografia consultada.

Tabela 3.2 - Resumo das principais características dos métodos construtivos analisados. (R. A. Buswell et al.,

2007; Brito 2004; Couto, Couto, and Teixeira 2006; Cuperus 2001; Hendriks, Nunen, and Rutten 2002; LLC 2005;

Pendlebury 2007; Vanier 1999; Gosling et al., 2013)

Sistemas

construtivos Flexibilidade/ligações Tipo de execução

Tipo de

inovação Maturidade

Slimline

Ligações diretas com dispositivo de fixação /ligações químicas à

superestrutura

Pré-fabricado, integrado após a execução da superestrutura do

edifício Arquitetónica Comercializado

Matura Ligações diretas com dispositivo de fixação à laje de pavimento

Pré-fabricado, integrado durante a execução da superestrutura do

edifício Modular Comercializado

Núcleo serviço

central

Ligações diretas com dispositivo de fixação

à superestrutura

Planeado na fase de conceção de obra, integrado durante a

execução da superestrutura do edifício

Incremental Comercializado

Pré-fabricação

Ligações indiretas via componente químico / ligações diretas com dispositivo de fixação

entre elementos

Pré-fabricado, executado como estrutura integral do edifício

Sistema Comercializado

Construção modular

Ligações indiretas via componente químico / ligações diretas com dispositivo de fixação

entre módulos

Pré-fabricado, montado como edifício finalizado após a preparação do terreno

Radical Comercializado

Countor crafting Ligações do tipo químicas toda a

estrutura

Pré-fabricado, integrado na fase da execução da envolvente do

edifício / Fabricado in-situ como estrutura integral do edifício

Radical Protótipo

Impressão 3d

Ligações indiretas com componentes

terciários de ligação à superestrutura

Pré-fabricado, integrado na fase de instalação de serviços do

edifício Modular Comercializado

3.6.1 SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO INTEGRADOS Aliada à flexibilidade dos elementos estruturais do edifício, estão também os serviços que o integram, como a

distribuição e recolha de água, sistemas elétricos e de comunicação e condutas de ventilação. A independência

destes subsistemas é essencial para garantir que o edifício e perfeitamente adaptável e flexível às diferentes

utilizações que poderá ter, comerciais ou residenciais, e para garantir a sua eficiente manutenção, reparação ou

substituição.

43

O conceito aplicado neste tipo de subsistemas deriva dos conceitos iniciais de construção modular e de edifício

flexível. Isto traduz-se numa seleção de soluções que simultaneamente integrem a estrutura do edifício, sejam

de acessibilidade fácil para operações de manutenção e reparação, e garantam um nível mínimo de flexibilidade

para que possam ser adaptados a vários tipos de utilização. Beneficiando dos sistemas centrais de distribuição

em altura, permitidos pelos núcleos centrais de serviços, estes sistemas servem apenas para fazer a distribuição

autónoma dentro de um mesmo piso.

Assim foram identificados dois sistemas compatíveis com esta abordagem: O sistema Matura e o sistema

slimline.

No sistema Matura todos os subsistemas técnicos, contendo cabos e condutas são redistribuídos no espaço para

garantir interfaces mínimas entre eles e o máximo de liberdade para o desenvolvimento em planta. O sistema

tem dois componentes: um consiste numa matriz e assenta sobre o laje de pavimento e o outro consiste num

canal de rodapé em forma de L, que se apoia sobre esta matriz. Os dois componentes juntos contém todos os

cabos e condutas e suportam também as paredes interiores do edifício. Os sistemas integrados que suporta

incluem os componentes da distribuição destes sistemas (por exemplo, tubos, fios), bem como os componentes

que permitem o encaminhamento destes componentes de distribuição minimizando complicações com a

estrutura do edifício.

A matriz matura é aplicada ao sub-piso de um edifício e fornece caminhos para distribuir horizontalmente

condutas de ventilação, eletricidade e comunicações, e canalização. A matriz também acomoda condutas de

drenagem de água com declive nulo, bem como linhas de abastecimento de água dedicados em negativos pré-

moldados na matriz. Em cima da matriz, um perfil serve como base para divisórias interiores e inclui espaço para

o desenvolvimento de fios e tomadas no rodapé. Os dois componentes juntos podem incorporar 23 subsistemas

diferentes e perfazem uma altura total máxima de 25 centímetros como se representa na Figura 3.4.

O sistema de Matura inclui a pré-fabricação de componentes e instalação / montagem. Muitos dos componentes

do sistema são pré-fabricados para reduzir o tempo de instalação no local, ao contrário dos outros componentes

que são simplesmente cortados em obra com as dimensões desejadas a partir de uma configuração de fábrica.

Atualmente o sistema matura encontra-se descontinuado e a empresa produtora já não está presente no

mercado. No entanto, esta abordagem flexível para distribuição de serviços pode ser replicada de forma muito

semelhante, utilizando os mesmos materiais para os vários elementos presentes e sobretudo recriando a matriz

utlizada nesta solução com um material de isolamento leve, com boas propriedades acústicas e térmicas e boa

resistência mecânica. (Lichtenberg 2004; Lichtenberg 2006; Meijer 2010)

44

Figura 3.4 – Processo de execução de um pavimento Matura e os seus vários componentes [W1]

Sugere-se a utilização de placas de espuma de vidro moldadas em fábrica com as mesmas dimensões da matriz

pois têm um bom comportamento acústico, térmico, boa resistência a compressão, são incombustíveis e

resistentes à humidade. Na Figura 3.5 apresentam-se os elementos que seriam pré-fabricados utilizando espuma

de vidro e o aspeto final do produto.

Figura 3.5 – Sugestão de alteração da matriz patenteada por uma matriz semelhante de espuma de vidro [W1]

3.6.2 NÚCLEOS DE SERVIÇOS CENTRAIS A abordagem mais objetiva passa por utilizar núcleos de serviços centrais que abasteçam todos os níveis do

edifício sendo dimensionados de acordo, e pavimentos flutuantes ou tetos falsos para a instalação dos

subsistemas de distribuição que permitam a personalização dos sistemas de distribuição dependente da sua

utilização. Estes subsistemas são igualmente uteis tanto na construção de novos edifícios como também na

reabilitação de edifícios já construídos e as características mais importantes que devem apresentar estão

relacionadas com o baixo peso, simplicidade de instalação e montagem, facilidade de manutenção,

adaptabilidade, flexibilidade e integrabilidade no sistema construtivo.

Na Figura 3.6 são representados os núcleos que oferecem um modelo mais padronizado, podendo ser

construídos e desenvolvidos como parte do ciclo de construção normal, com a área do núcleo a permanecer

aberta e acessível durante todo o processo de construção e quando o edifício está concluído.

45

Figura 3.6 – Exemplo da localização e funcionamento de um núcleo de serviços central

3.6.3 PRÉ-FABRICAÇÃO Os sistemas de pré-fabricação avançada mais eficazes baseiam-se no conceito de pré-fabricação de ciclo

flexibilizado. O conceito de sistema flexibilizado de fabricação vai além da fábrica, possibilitando a produção de

componentes no estaleiro, dentro de um sistema com alto grau de controlo e qualidade e de organização da

produção.

A utilização destes processos permite erguer a infraestrutura e superestrutura de um edifício recorrendo a peças

modulares com um elevado padrão de qualidade e fiabilidade. Atualmente a pré-fabricação é aplicada a vigas e

pilares da estrutura, painéis de fachada modulares, vãos de escadas e a elementos pré-moldados com geometrias

pouco comuns. Vários tipos de materiais permitem a aplicação desta metodologia de produção, sendo os mais

comuns a madeira, o aço e o betão.

O aço e a madeira são materiais que já demonstraram exaustivamente que, aliados à pré-fabricação, permitem

a reutilização do desperdício proveniente da elaboração de elementos construtivos e a sua reintrodução no ciclo

de produção. Devido às suas características físicas estes materiais podem ser reaplicados no ciclo de produção

com garantias de não alteração da qualidade do produto final. No caso do betão os avanços tecnológicos

recentes têm permitido uma melhor reutilização dos resíduos produzidos (Kimber, Clark, e Schaefer, 2014).

Fábricas industrializadas com processos automáticos de produção são o futuro deste tipo de elementos

construtivos. Recorrendo a sistemas mecanizados e robotizados torna-se possível produzir peças em betão

(armado ou reforçado) e outros materiais compósitos em série, alterando apenas a disposição dos moldes para

cada peça. Não só as dimensões da peças podem ser ajustadas, como também e possível produzir peças com

geometrias distintas e “negativos” para a integração de serviços como tubagens, instalações elétricas e vãos

envidraçados (R. A. Buswell et al., 2007; Gijsbers, 2005; Ishiguro et al., 1997; Serra et al., 2004).

Do ponto de vista de produção de resíduos a pré-fabricação de elementos em betão apresenta uma maior

eficiência na gestão dos seus resíduos e uma tendência a otimizar o seu processo de produção, ao mesmo tempo

46

que introduz a reciclagem de betão no processo de fabrico. Através de uma análise comparativa simples, e

recorrendo ao software Cype 2014, é possível identificar as vantagens deste sistema construtivo do ponto de

vista da eficiência e do baixo impacto ambiental em relação aos métodos correntes.

Analisando três elementos construtivos de iguais dimensões: uma laje de betão armado com lâmina de

compressão, um pilar de betão armado e uma viga de betão armado, executados destas duas maneiras, permite-

nos identificar a produção de resíduos esperada como calculada pela lista europeia dos resíduos (LER) por

unidade de produção e execução, como é percetível na Figura 3.7.

Figura 3.7 – Comparação entre os resíduos produzidos na execução de elementos de betão pré-fabricados e betonados in-

situ

Na produção e execução de vigas e pilares, a pré-fabricação minimiza significativamente a produção de resíduos

da construção, sendo que mais de 90% desses resíduos são derivados de produtos de betão e argamassa e têm

um grande potencial para serem reciclados e reintroduzidos no processo de fabrico. O mesmo não acontece na

execução de lajes onde o caracter monolítico deste tipo de elemento construtivo promove uma execução

eficiente quando betonada em obra com cofragens reutilizáveis e, no lado oposto, produz resíduos consideráveis

quando pré-fabricada.

Para além de ser um processo com um custo elevado, outra desvantagem da pré-fabricação está no transporte

dos elementos produzidos para os locais onde se irá proceder à sua montagem. Peças mais pequenas e melhores

ligações modulares são a solução para que este processo se torne normativo no futuro da construção civil.

A pré-fabricação apresenta grandes vantagens no que respeita à qualidade, velocidade na construção e

economia, já que minimiza os desperdícios na sua execução e montagem. Acrescenta também valor aos

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Pré

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rica

do

Bet

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Pré

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Bet

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Pré

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Bet

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Pilar /m3 Laje /m2 Viga /m

Total de Residuos produzidos (kg) Residuos de betões e argamassas (kg)B

eto

nad

o in

-sit

u

Bet

on

ada

in-s

itu

Bet

on

ada

in-s

itu

47

elementos construtivos pois possibilita o reforço com fibras de vidro, de carbono e de aço contribuindo para uma

maior resistência e esbelteza destes elementos culminando numa poupança de matéria-prima.

Focando-se na produção de pilares, vigas e painéis pré-fabricados, esta indústria demonstra mais-valias no

caminho para o objetivo de tornar a construção um sector com menos desperdício, mais reciclagem e

globalmente mais eficiente.

3.6.4 CONSTRUÇÃO MODULAR O conceito de construção modular baseia-se na projeção e construção de edifícios com sistemas separados.

Edifícios modulares e casas modulares são edifícios pré-fabricados, compostos por várias seções chamadas

módulos. Os módulos podem ser elementos pré-fabricados, como janelas ou painéis de fachada, mas também

divisões inteiras pré-fabricadas, como casas de banho ou quartos.

A produção de elementos para a construção modular pode ser feita em obra ou fora do local da obra. Na europa

a indústria da construção modular tem apostado mais na produção de elementos em obra, em condições

controladas em vez de uma produção industrializada fora de obra (Linner e Bock 2012, Sheffer 2011, Lawson et

al., 2011).

A indústria da construção vem alterando o seu método de execução de edifícios de, no local e usando materiais

básicos de construção, para um processo de montagem com peças completas pré-fabricadas e montadas no local

de obra. A qualidade global do edifício construído através deste processo não é apenas determinada pela

qualidade dos seus elementos constituintes, mas também pela forma como são montados. Os processos de

fabricação de peças de construção industrializados permitem obter uma ampla variedade de peças de construção

e elementos de ligação que tornam este processo altamente flexível.

A aplicação destes conceitos leva à criação de estruturas extremamente flexíveis e com um elevado grau de independência e permutabilidade, caracterizadas por:

Hierarquia aberta dos diferentes módulos;

Montagens paralelas;

Utilização de ligações mecânicas (secas);

Modulação de componentes;

Componentes facilmente transportáveis.

Apostando em elementos pré-fabricados e aplicando os princípios da construção modular maximizam-se as

vantagens que este sistema construtivo oferece. A produção da estrutura e dos módulos é feita em fábrica de

produção, procedendo-se depois para a sua montagem no local do edifício como se representa na Figura 3.8.

Os processos de pré-fabricação de elementos para a construção garantem um elevado e consistente nível de

qualidade, reduzindo o tempo de produção e evitando a fabricação in-situ. As ligações entre os elementos

garantem a flexibilidade do sistema construtivo e permitem que se obedeça a um planeamento na construção

que promova a sustentabilidade e a fácil manutenção e reabilitação de edifícios. Os processos de fabricação

48

avançada permitem obter elementos para a construção, estruturais e não estruturais, caracterizados por

dimensões e características específicas para cada obra, que acrescentam funcionalidades a elementos

tradicionais e possibilitam um alto nível de automação e integração na construção (Imbabi e Peacock, 2003;

JPBSL, 2005; Lichtenberg, 2004; Sorri, Kähkönen, e Rannisto, 2013).

Figura 3.8 – Etapas de execução e montagem da construção modular de edifícios (Gosling et al., 2013)

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

3.7.1 ISOLAMENTO TÉRMICO A nível de isolamentos térmicos identificaram-se tecnologias para isolamento térmico de elementos opacos e

elementos transparentes. Desta forma, e recorrendo às tabelas técnicas presentes na bibliografia consultada,

conseguem-se resumir os isolamentos analisados na Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Características gerais dos isolamentos térmicos opacos e transparentes

Isolamento térmico

opaco

Coeficiente de transmissão

térmica / Capacidade de

aquecimento

Espessuras Tipo de


VIP 0.13-0.538 W/m².K (20°C) 50mm - 200mm Sistema Comercializado

Aerogel de sílica

(placas) 0,065 W/m2.K 5 - 200 mm Modular Comercializado

PCM micro

encapsulado

0,02 - 0,25 W/m².K 100 Wh/m² (capacidade de aquecimento)

5 – 40 mm 1-2 μm (partículas)


PCM macro

encapsulado 220-260KJ/Kg (calor latente)

500 x 200 x 20 mm


49

Tabela 3.3 – Características gerais dos isolamentos térmicos opacos e transparentes (continuação)

Isolamento térmico

transparente

Consumo elétrico/

Coeficiente de

transmissão térmica

Transmissão de luz Tipo de


Janela cristais líquidos

(filme) Consumo: 4 W/m2 1,3 W/m2.K

5% - 90% Fator solar: 0,1 - 0,40


Janela cristais líquidos Consumo: 5W/m2 1,3 W/m2.K

5% - 80% Fator solar: 0,1 - 0,40

Modular Comercializado

Janela Electrocrómica

(filme) Consumo: 6 W/m2 2,6 W/m2.K

67% - 75% Fator solar: 0,05 - 0,45


Janela Electrocrómica Consumo: 7 W/m2 2,6 W/m2.K

67% - 75% Fator solar: 0,05 - 0,45


Aerogel de sílica

(janelas) Consumo: 0 W/m2 0.018 W/m.K (20°C)

70% - 90% Fator solar: 0.74

Incremental Protótipo

Nota: O isolamento com recurso a aerogel é descrito e caracterizado nos anexos por não ter sido escolhido para

ser utilizado em nenhuma das propostas de integração apresentadas no capítulo 5.

3.7.1.1 PAINÉIS DE ISOLAMENTO EM VÁCUO (VACCUM INSULATED PANNELS)

Um VIP pode ser descrito como um material poroso aberto e em vácuo colocado dentro de um envelope com

múltiplas camadas, representado na Figura 3.9. Os principais componentes de um VIP são:

Camada barreira, composto por um painel de um material rígido e altamente poroso, tal como sílica

fumada, aerogel, perlite ou fibras de vidro, com a função de suportar as paredes da membrana contra

a pressão atmosférica e choques acidentais, assim que o ar é retirado.

Agentes dessecantes, são produtos químicos introduzidos no interior dos painéis que adsorvem gases

que penetram através do envelope. Os agentes dessecantes funcionam como um adsorvente adequado

no interior do núcleo VIP para atuar sobre os gases e vapores de água que podem penetrar através da

barreira de proteção.

Núcleo interno, composto por materiais de isolamento tradicionais com poros de pequenas dimensões,

como fibra de vidro, onde o ambiente de vácuo é criado por evacuação do ar presente. Estes materiais

isolantes com pequenos poros garantem que o vácuo criado dentro do painel dura mais tempo e a

menores pressões.

Nos VIP a transferência de calor por convecção é suprimida pela criação de um vácuo no interior do material do

núcleo. A transferência de calor por condução também é drasticamente reduzida, pelo facto de existirem muito

menos colisões entre as moléculas de gás adjacentes (ou entre as moléculas de gás e os átomos do material do

núcleo).

50

Figura 3.9 – Uma placa de VIP finalizada (esquerda) e sua constituição (direita) [W2]

Assim os VIPs apresentam uma resistência térmica mais elevada por unidade de espessura, podendo atingir

valores de condutividade térmica de 0,006-0,008 (W/m.K) se forem tidas em conta as pontes térmicas (condução

de calor através as extremidades do painel) e a inevitável perda gradual de vácuo ao longo do tempo.

A adoção de VIPs é atualmente limitada pela sua suscetibilidade a danos durante a instalação e desenvolvimento,

pelo tempo de vida útil incerto, pela formação de pontes térmicas e pelo custo elevado. Estes painéis apresentam

ainda a possibilidade útil de controlar o valor da sua condutividade térmica, através de um certo, ou múltiplos,

mecanismos que variem o estado de vácuo atingido no núcleo. Tal vácuo dinâmico já foi conseguido na década

de noventa (patente DE196.47.567.A.1), e provou que controlando as propriedades reversíveis dos agentes

dessecantes utilizados pela aplicação de um potencial elétrico, que resulta num consumo de energia elétrica de

cerca de 5 W/m2, é possível modificar as características de condutividade térmica destes painéis (Alam et al.,

2011; Binz et al., 2005; Gustavsen e Baetens, 2010; Petter et al., 2010; Rashwan et al.,, 2013; Schlanbusch, 2013).

3.7.1.2 MATERIAIS DE MUDANÇA DE ESTADO (PHASE CHANGE MATERIALS)

Um material de mudança de estado (PCM) é uma substância com um elevado calor de fusão que, fundindo e

solidificando a uma determinada temperatura, é capaz de armazenar e libertar grandes quantidades de energia.

O calor é absorvido ou liberado quando o material muda de sólido para líquido e vice-versa, assim, os PCMs

podem ser classificados como unidades de armazenamento de calor latente. A única mudança de fase usada para

PCMs é a mudança líquido-sólido pois os restantes processos requerem demasiada energia para as suas

operações.

Um grande número de PCMs está disponível em toda uma gama de pontos de mudança de estado que vão desde

de -5 ° C até 190 ° C, proporcionando uma grande flexibilidade na sua utilização. Dentro da temperatura de

conforto humano, entre 20°C e 30 ° C, os PCMs são muito eficazes no armazenamento de energia, armazenado

5 a 14 vezes mais calor por unidade de volume do que os materiais convencionais como alvenaria ou a rocha,

podendo ser utilizados em elementos construtivos do edifício, como paredes, coberturas, pavimentos, estores,

janelas e também integrados em sistemas de ar condicionado.

51

Existem atualmente três formas de incorporar os PCMs em elementos da construção: incorporação direta,

imersão, e encapsulamento. Adicionalmente os PCMs também podem ser utilizados na forma de materiais com

forma estabilizada (SSPCMs) , representados na Figura 3.10.

Os métodos de incorporação direta e imersão incorporam PCMs diretamente em materiais de construção

convencionais. O primeiro método é o mais simples e mais económico, onde o PCM líquido ou em pó é

diretamente misturado com materiais de construção como gesso, cimento ou betão durante a produção e

nenhum equipamento extra é necessário. No método de imersão, materiais de construção porosos, tais como

placas de gesso, tijolos ou blocos de betão, são imersos em PCMs derretidos e absorvem o material por

capilaridade. Ambos estes métodos apresentam problemas relacionados com fugas e vazamento a longo prazo

e incompatibilidade com certos materiais construtivos.

Figura 3.10 – Paredes divisórias com tijolos preenchidos com PCM (esquerda), placa de gesso composta por 60% PCMs

(centro) e escritório com elementos de sombreamento compostas por PCM na fachada (direita) [W3]

Os PCMs podem ser encapsulados antes da sua incorporação em elementos de construção. Dois tipos de

encapsulamento podem ser definidos: a microencapsulação e a macro encapsulação, representadas na Figura

3.11. A primeira técnica é definida como o processo pelo qual as partículas individuais de material sólido ou

líquido (o núcleo) são cercadas ou revestidas com uma película contínua de material polimérico (a casca), para

produzir cápsulas na gama do micrómetro a milímetro, e são conhecidas como microcápsulas.

Figura 3.11 – PCM nano encapsulado (esquerda), tijolos com PCM macro encapsulado (centro) e parede leve com PCM

micro encapsulado no isolamento interior (direita) [W3]

A microencapsulação visa evitar os problemas de vazamento de PCMs durante os processos de mudança de fase

que contribuem para expandir as possibilidades de integração PCM na construção. O macro encapsulamento é

52

a técnica onde PCMs são embalados num recipiente, tais como tubos, esferas, painéis ou outros recipientes, e,

em seguida, incorporados em elementos de construção.

Nos últimos anos, um novo tipo de composto PCM, os chamados PCMs de forma estabilizada (SSPCMs), têm sido

desenvolvidos. Devido à sua condutividade térmica adequada, capacidade para manter a forma durante

processo de mudança de fase, e um bom desempenho de vários ciclos térmicos a longo prazo, apresenta grande

potencial de integração nos materiais construtivos.

Nesta técnica, o PCM (como parafina) é disperso numa outra fase de material de apoio (tal como polietileno de

alta densidade) para formar um material compósito estável. Uma vez que a percentagem em massa de parafina

pode ser tanto quanto 80%, a energia total é comparável à dos PCMs tradicionais. As aplicações de SSPCMs em

construção englobam paredes, tetos e pavimentos e lidam com a mudança de estado líquido-sólido e sólido –

sólido.

Esta integração em elementos da construção possibilita o aumento da inércia térmica do edifício e mitiga a

diferença os picos das temperaturas interiores, também reduzindo a amplitude de onda de calor. A utilização

deste material permite diminuir as variações das temperaturas interiores entre 2 °C e 7 °C, reduzindo os

consumos energéticos associados ao aquecimento/arrefecimento do edifício (Ascione et al., 2014; Hasselaar e

Looman, 2007; Parameshwaran e Kalaiselvam, 2013; Pires et al., 2013; Principi e Fioretti, 2012; Silva, 2012).

3.7.1.3 JANELA ELECTROCRÓMICA E DE CRISTAIS LÍQUIDOS (JANELAS INTELIGENTES)

Janelas inteligentes, ou Smart Windows, são definidas como tecnologias de vidro cujas propriedades óticas

podem ser controladas, como por exemplo, através da aplicação de uma corrente elétrica. Os envidraçados à

base de Electrocrómico (Assimakopoulos et al., 2007; Granqvist et al., 1998; Kraft e Rottmann, 2009) e de Cristal

líquido (Cupelli et al., 2009; Gardiner et al., 2009) são duas das principais tecnologias de janelas inteligentes.

O fenómeno Electrocrómico consiste na mudança reversível nas propriedades óticas (reflectancia) de um dado

material induzida por um campo elétrico ou corrente aplicada externamente, representado na Figura 3.12.

Figura 3.12 – Sequência de alteração de estado de vidros electrocrómicos [W4]

Um dispositivo electrocrómico típico é constituído por uma fina película de material electrocrómico, uma camada

de armazenamento de iões e uma camada condutora de iões (IC), ensanduichadas entre duas camadas

transparentes de óxidos condutores. As propriedades de transmissão da luz podem ser ajustadas em todo o

espectro de luz visível e infravermelha, aproximando-se dos níveis nulos de transmitância para um certo modo

53

de polaridade. As janelas electrocrómicas são as mais populares quando se pretende controlar a transmitância

eletricamente pois apresentam a vantagem de o campo elétrico ter de ser aplicado apenas durante as operações

de mudança de propriedades, como é visível na Figura 3.13.

Figura 3.13 – Funcionamento de janelas electrocrómicas no estado ativo e desativo [W4]

As Janelas inteligentes baseadas em cristais líquidos (CL) oferecem outra abordagem além dos dispositivos

electrocrómicos. O mecanismo de comutação ótica é uma alteração na orientação das moléculas do cristal

líquido entre dois elétrodos condutores através da aplicação de um campo elétrico, o que resulta na alteração

da sua transmitância, como representado na Figura 3.14 (Baetens et al., 2010; Cupelli et al., 2009; Deb et al.,

2001; Dussault et al., 2012; Ghisi e Tinker, 2006).

Figura 3.14 – Funcionamento das janelas de criais líquidos (PDLC) no estado ativo e desativo [W5]

3.7.2 VENTILAÇÃO NATURAL Os dois princípios fundamentais da ventilação natural são o efeito chaminé e ventilação impulsionada por vento.

São analisados sistemas passivos e ativos de ventilação natural que incluem não só estratégias para uma eficiente

ventilação natural de edifícios mas também várias tecnologias inovadoras como como chaminés solares,

ventiladores de turbina e coletores de vento. Na Tabela 3.4 são resumidas as características técnicas das varias

soluções retiradas da bibliografia consultada.

54

A falta de ventilação pode causar excesso de humidade, condensação, sobreaquecimento e uma acumulação de

odores, fumo e poluentes. Em edifícios comerciais e industriais a ventilação é atualmente garantida por sistemas

AVAC (sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado) que fazem uso intensivo de energia com recurso

a grandes ventiladores, sistemas de condutas, ar condicionado e aquecimento. Em edifícios residenciais o

método de ventilação primário é natural e recorre a entradas de ar e ventilação através de janelas e aberturas.

Tabela 3.4 – Características gerais dos sistemas de ventilação natural

Ventilação natural Propriedades

térmicas Caudal de ventilação

Tipo de


Coletor de vento Variável 220 m3/h - 720 m3/h Sistema Comercializado

Chaminé Solar Variável 3900 m3/h Sistema Protótipo

Ventilador de turbina Variável 2100 - 3700 m3/h (mínimo 1 ventilador por cada 60 m2)


Grelha de ventilação 2.55 W/m2.K 7,7 m3/h/m² Modular Comercializado

Breathing Wall 0.05 W/m2.K 1.12 m3/h/m2 Sistema Protótipo

Ventilação noturna Redução da temperatura interior: 3 °C

Variável Incremental Experimental

Nota: O coletor de vento, o ventilador de turbina e a breathing wall são descritos e caracterizados nos anexos

por não terem sido escolhido para serem utilizados em nenhuma das propostas de integração apresentadas no

capítulo 5.

Na ventilação natural o fluxo de ar é promovido pelo vento e pela variação de pressões alcançadas através de

aberturas na fachada e cobertura do edifício ou dispositivos instalados propositadamente para esse efeito. Esta

ventilação pode ser alcançada através de quatro mecanismos, representados na Figura 3.15: ventilação de um

só lado, limitada a zonas próximas das aberturas do edifício, ventilação cruzada, com duas ou mais aberturas

em paredes opostas que permitem ventilar uma área maior do que as aberturas de um só lado, ventilação com

base em efeito de chaminé, que permite tirar partido da flutuabilidade do ar a diferentes temperaturas e alcança

maiores fluxos de ar, coletores de vento (ou windcatchers), que tiram partido do vento e da flutuabilidade do ar,

e ventilação induzida pelo sol, que utiliza a energia solar para aquecer elementos construtivos, aumentando a

flutuabilidade do ar e mais eficaz em climas quentes.

Estes sistemas podem funcionar em regime passivo ou ativo. Em regime passivo são apenas controladas as

aberturas para entrada e saída de ar para otimizar a ventilação do edifício. Em regime ativo são introduzidas

ventoinhas e/ou permutadores de calor no sistema para controlar ativamente o fluxo de ar e a temperatura

dentro do edifício. Os vários tipos de ventilação podem ser combinados num só edifício e assim delinearem a

estratégia global de ventilação.

55

Figura 3.15 – Representação dos fenómenos de Ventilação de um só lado e Ventilação cruzada (esquerda), de Ventilação

com base em efeito de chaminé (centro) e de coletores de vento, ou windcatchers. (direita) [W6]

A ventilação de um só lado é obtida quando existem uma ou mais aberturas numa mesma face de um edifício,

geralmente a cotas diferentes, para garantir um fluxo de ar constante e movido pelo vento existente na

envolvente do edifício. A ventilação cruzada é obtida através de janelas ou aberturas em faces opostos de um

edifício, alinhadas com a direção do vento predominante e com cotas diferentes, que provocam um fluxo de ar

através do espaço. A pressão positiva na face de barlavento e negativa na face de sotavento do edifício faz com

que exista movimento do ar em todo o espaço interior desde que as janelas ou aberturas para ventilação

permaneçam abertas em ambas as faces do edifício. A diferença de cotas destas aberturas ou janelas tira

proveito do efeito de chaminé para melhorar o fluxo de ar nos dois tipos de ventilação, independente das

condições de vento exteriores.

Nas janelas a simples abertura da janela promove a ventilação natural podendo, no entanto, ser complementada

com aberturas controláveis apenas para esse propósito e atuadores que controlam o nível de abertura das

janelas, como representado na Figura 3.16.

Figura 3.16 – Janela com um atuador motorizado (esquerda) e abertura junto a janela para ventilação da fachada [W7]

Nas paredes interiores e fachadas de edifícios são utilizados painéis metálicos pré-fabricados que através de

pequenas aberturas intempéries permitem a passagem do ar a baixas velocidades para o interior do edifício,

representados na Figura 3.17. A entrada de ar pode ser feita diretamente para dentro do edifício, comum em

garagens e caves, ou de forma indireta e localizada recorrendo a um sistema de condutas curtas, instaladas ao

nível da laje que filtram e regulam a quantidade de ar que entra para dentro de um edifício ou divisão.

56

A ventilação com base no efeito de chaminé é independente da presença de vento na envolvente do edifício.

Tirando partido do facto de que o ar a temperaturas mais altas é menos denso que o ar a temperaturas mais

baixas, promove o fluxo de ar dentro do edifício através de aberturas em cotas baixas para entrada de ar fresco

e aberturas em cotas mais altas, geralmente chaminés de ventilação ou claraboias, para a saída do ar mais

quente. Assim consegue também controlar a temperatura interior do edifício variando o fluxo de ar frio que

entra (Aynsley, 2007; Dimitroulopoulou, 2012; Khan et al., 2008; Schulze e Eicker, 2013; Short et al., 2009;

Suleiman e Himmo, 2012; West, 2001).

Figura 3.17 – Grelha de ventilação de parede (esquerda) e grelha de ventilação de fachada com sistema de filtragem

(direita) [W8]

3.7.2.1 CHAMINÉ SOLAR

As chaminés solares aproveitam o sol como fonte de energia renovável para aquecer os espaços no inverno e

para promover um maior fluxo de ar através do edifício no verão, como representadas na Figura 3.18.

Figura 3.18 – Chaminés solares instaladas em edifícios (esquerda e centro) e funcionamento da chaminé solar (direita) [W9]

Este sistema funciona todo o ano para fornecer aquecimento e ventilação necessários para atingir os critérios de

conforto dos ocupantes. O sistema tem dois modos de funcionamento. No inverno, o ar frio que entra no edifício

é aquecido por painéis metálicos instalados no interior da chaminé, que por sua vez são aquecidos pela radiação

solar que penetra na parte superior de vidro temperado. Atingida uma dada temperatura o sistema ativa uma

ventoinha que distribui o ar quente para o resto do edifício, através da distribuição livre ou condutas de

ventilação. No verão, quando o ar quente dentro do edifício ascende á chaminé solar por efeito chaminé e é

57

novamente aquecido pela radiação solar que promove assim um maior e mais eficiente fluxo de ar do edifício.

Assim com baixas velocidades de vento no exterior este sistema consegue promover a ventilação natural

podendo atingir grande eficiência se combinado com aberturas e janelas para entrada de ar fresco.

O conceito da chaminé solar assenta no princípio da utilização do sol para aquecer o ar interior de um edifício

num espaço reduzido e altamente ventilado e assim criar maiores fluxos de ar devido ao efeito chaminé. Este

conceito pode ser estendido a paredes Trombe solares e coberturas solares que, tirando partido do mesmo

princípio, garantem a ventilação mais eficiente integrada em elementos construtivos já existentes, como se pode

ver na Figura 3.19 (Suleiman e Himmo, 2012).

Figura 3.19 – Funcionamento das paredes Trombe solares e coberturas solares [W10]

3.7.2.2 VENTILAÇÃO NOTURNA

A Ventilação noturna faz uso do ar mais frio presente na atmosfera nos períodos noturnos para ativamente

arrefecer edifícios, por forma a absorver os ganhos térmicos diurnos. Assim é possível reduzir a subida de

temperatura no edifício em períodos diurnos e de maior consumo energético. A sua utilização é mais

generalizada em edifícios que tenham pouca ou nenhuma atividade noturna.

Esta ventilação noturna pode ser alcançada por forças naturais, utilizando o vento, ou convecção natural ou

assistida mecanicamente com ventoinhas que garantam um fluxo de ar constante quando as condições

ambientais não o consigam fazer (Schulze e Eicker, 2013; Suleiman e Himmo, 2012).

3.7.2.3 ESTRATÉGIA DE VENTILAÇÃO NATURAL

A estratégia de ventilação para cada edifício varia conforme a localização, a envolvente, a dimensão e utilização

pretendida. Esta estratégia tem de ser global e deve funcionar durante todas as estações do ano, arrefecendo o

edifico nos meses quentes e aquecendo-o nos meses frios. Vários guias e regras gerais existem para a conceção

de edifícios naturalmente ventilados nomeadamente: tirar partido da direção dos ventos predominantes para a

correta orientação das janelas e aberturas de coleta de ar fresco, facilitar o fluxo de ar no interior do edifício por

meio de aberturas e condutas de ventilação, utilizar fontes de energia renováveis e abundantes como o sol e solo

para aquecer e arrefecer o ar recolhido e promover fluxos de ar constantes no interior por meio do efeito

chaminé e ventoinhas de apoio, como se representa na Figura 3.20.

58

Figura 3.20 – Exemplos de duas estratégias muito eficazes de ventilação natural de edifícios [W11]

Esta estratégia traduz-se numa planificação similar em edifícios residenciais e comerciais de vários andares. De

um modo geral promove-se a ventilação natural e fluxos de ar adequados utilizando as divisões anexas à fachada

e à cobertura como entradas de ar fresco e promove-se a circulação do ar dessas divisões até ao núcleo central

de condutas de ar ou um espaço comum do edifício, de preferência com grande área e pé direito livre até à

cobertura, como por exemplo escadas de acesso em edifícios residenciais e átrios de edifício de escritórios. Esta

circulação deverá ser hibrida, isto é, assistida por ventoinhas quando necessário, e promovida por aberturas em

paredes interiores ou utilizando breathing walls. Uma vez nesta área, e utilizando os dispositivos e os efeitos

promotores de ventilação já mencionados, o ar é extraído ao nível da cobertura, onde pode ser aquecido ou

arrefecido e devolvido ao interior do edifício. Esta estratégia faz uso de válvulas de controlo para poder funcionar

em modos diferentes conforme as necessidades térmicas do edifício nos meses quentes ou frios, de dia ou de

noite (Aynsley, 2007; Khan et al., 2008; Lomas, 2007; Schulze e Eicker, 2013).

3.7.3 SISTEMAS ÓTICOS DE ILUMINAÇÃO NATURAL Os sistemas óticos de iluminação natural possibilitam a distribuição de luz natural para espaços de edifícios onde

a luz do dia é limitada. Apesar das diferentes funções de cada edifício, é atraente utilizar a luz natural como uma

fonte de iluminação primária ou secundária com benefícios no consumo de energia, produtividade e saúde. A

utilização parcial da luz natural pode ainda reduzir significativamente iluminação e refrigeração de espaços

interiores e melhorar o conforto dos seus ocupantes.

Os sistemas óticos de iluminação natural são compostos por três elementos: um coletor exterior, um distribuidor

de luz e um emissor de luz interior. Na Tabela 3.5 são descritos os sistemas de iluminação natural analisados,

com valores de aproveitamento de luz natural e fluxo luminoso retirados das tabelas técnicas da bibliografia

consultada.

59

Tabela 3.5 – Características gerais dos sistemas de iluminação natural

Iluminação Natural Aproveitamento

luz natural

Fluxo

luminoso

(Lumens - Lm)

Dimensões

(mm)

Tipo de

Inovação Maturidade

Coletores de luz

Microprismas eletromecânicos 100% ND 2 - 6 Modular Experimental

Lente Fresnel Linear / calha

parabólica 50% - 100%

11000 - 63000

5000 x 10000

Modular Protótipo

Mini parabólica com rastreador de

sol 55% - 70% 1500 - 5000

500 - 2000 (raio)


Distribuidores de luz

Tubo Solar 55% - 75% 500 - 6000 500 - 2000 (raio)


Fibra ótica (plástico + vidro) 80% - 100% 1500 - 5000 2.5 (diâmetro)

Modular Protótipo

Emissores de luz

LED 0% 200 - 3500 Variável Modular Comercializado

Betão translucido (placas) 40% 100 – 350 250 x 600 x (40 – 100)


Difusores de luz 60% - 100% 0 - 4100 Variável Incremen

tal Comercializado

Difusor hibrido (Led + Fibra ótica) 80% - 100% 200 - 3000 Variável Sistema Comercializado

3.7.3.1 COLECTORES DE LUZ

Os coletores solares exteriores são dispositivos que concentram a luz solar recorrendo a espelhos e materiais

altamente refletores nos distribuidores de luz. Estes coletores são usualmente instalados nas coberturas dos

edifícios, onde têm acesso constante à luz solar incidente e podem ou não ser auxiliados por rastreadores solares

que posicionam os concentradores de maneira a que obtenham a maior eficiência possível.

Cada coletor de luz está associado a um sistema específico de distribuição de luz. Os concentradores de luz que

utilizam coletores parabólicos ou lentes Fresnel, representados na Figura 3.21, estão associados à distribuição

de luz por fibra ótica pois concentram os raios solares num só ponto, e os coletores baseados em lentes

hemisféricas ou prismáticas associados a tubos de luz pois permitem a coleta de luz ao longo do dia enquanto o

sol se move através do céu.

60

A lente Fresnel é plana de um lado e irregular do outro, sendo composta por várias camadas sobrepostas de

lentes incrementalmente mais finas que redirecionam a luz solar para o centro do coletor. Estas lentes são

estáticas, de grandes dimensões e implementadas na cobertura de edificios, onde coletam a luz solar ao longo

do dia.

Figura 3.21 – instalação de uma calha parabólica (esquerda) e de uma lente linear Fresnel (direita) [W12]

Existem dois tipos de coletores parabolicos, os colectores de grandes dimensões e baseados em refletores

parabolicos lineares, ou calhas parabolicas, e os colectores de pequenas dimensões baseados em reflectores

parabolicos circulares, conhecidos como parabólicas opticas, representadas na Figura 3.22 (H. Han e Tai Kim,

2010; Ullah e Shin, 2014).

Figura 3.22 - Funcionamento de parabólica ótica (esquerda) e sua instalação num edifício (direita) [W13]

Uma outra abordagem passa por tornar o coletor de luz num dispositivo de encaminhamento de luz solar. Uma

tecnologia que promove este conceito tem o nome de humedecimento eletromecânico de microprismas,

representado na Figura 3.23.

61

Figura 3.23 - Funcionamento do sistema de micro prismas eletromecânicos (esquerda) e fotografia da sua pequena

estrutura (direita) (Smith et al., 2006)

A viabilidade de humedecimento eletromecânico de micro prismas é alcançada através de um novo e mais

simples processo de fabricação que permite o redireccionamento contínuo de feixes de luz com um ângulo de

14 ° (± 7 °), algo nunca antes alcançado.

Esta tecnologia de redireccionamento de raios solares funciona modificando a geometria física entre água e óleo,

confinando-os entre pelo menos duas paredes laterais humedecidas electromecanicamente. Estas paredes

laterais estão ligadas a duas tensões distintas (VL, VR) que controlam de forma independente o ângulo de contato

da água em cada parede lateral (âL, θR), que permitem o redireccionamento constante e altamente eficiente de

feixes de luz.

Esta microestrutura é desenvolvida em forma de uma pelicula rígida fina que pode ser sobreposta sobre

envidraçados e janelas existentes. A utilidade em iluminação natural passa por aplicar esta pelicula fina sobre as

áreas de topo dos envidraçados, permitindo redirecionar a luz solar para o teto do interior de edifícios,

alcançando uma luminosidade mais uniforme ou focando os raios solares em feixes de fibras óticas para posterior

distribuição pelo edifício, como exemplificado na Figura 3.24. A alta eficiência desta tecnologia flexibiliza a coleta

e distribuição de luz solar, dispensando dispositivos exteriores, podendo ser integrado na reabilitação de edifícios

ou em construção nova (Hou et al., 2010; Smith et al., 2006).

Figura 3.24 – Uma divisão interior de um edifício antes da instalação dos microprismas nas janelas (esquerda) e depois da

sua instalação (direita) [W14]

62

3.7.3.2 DISTRIBUIDORES DE LUZ

A luz natural pode ser transportada por tubos de luz e fibras óticas num edifício com ganhos térmicos mínimos.

Como uma abordagem de economia de energia, a iluminação natural tem a desvantagem que não pode capaz

de chegar a muitas áreas isoladas como caves e corredores, além de ter um ganho térmico associado.

Os tubos de luz estão disponíveis comercialmente e são versáteis o suficiente para serem instalados em linha

reta ou com ângulo, com desenvolvimento vertical ou horizontal. Os tubos de luz, representados na Figura 3.25,

utilizam o princípio da elevada eficiência de reflexão, e por isso, são mais eficientes em linha reta do que com

ângulos no seu desenvolvimento, podendo cada curva no tubo de luz pode reduzir a saída de luz em cerca de

8%.

Figura 3.25 – Tubo de luz de aplicação residencial (esquerda), de aplicação comercial (centro) e seu funcionamento (direita)

[W15]

Os tubos mais eficientes são largos e curtos e podem atingir uma iluminação mínima de 100 lux distribuindo luz

ao longo de todo o seu desenvolvimento, útil para caixas de escadas e logradouros de edifícios, ou apenas no

encaminhá-la para um difusor no seu final (Callow, 2003; Oh et al., 2013; Zhang, 2002; West, 2001).

A Iluminação solar com feixes de fibra ótica pode ser considerada como uma opção muito promissora do ponto

de vista de edifícios eficientes.

Com a atual disponibilidade de técnicas de produção de fibra ótica, a energia solar pode ser transmitida por fibras

óticas de alta qualidade, com núcleos de grande diâmetro. Tirando partido da flexibilidade da fibra ótica, a

energia solar pode ser transmitida e concentrada, sendo movida desde o seu coletor, geralmente um espelho

parabólico, até difusores onde terá muitas aplicações.

A fibra ótica é constituída por um núcleo, revestimento, e uma camada de proteção externa. A luz viaja no interior

do núcleo, e o revestimento, que tem um índice de refração mais baixo, proporciona uma reflexão interna no

limite do núcleo. Geralmente, as fibras óticas com núcleos de grande diâmetro são as preferidas para aplicações

de energia solar, em detrimento da flexibilidade, como se pode ver na Figura 3.26.

São utilizadas fibras a base de vidro, SOF, junto aos coletores solares e fibras a base de plástico, POF, para garantir

a distribuição de luz natural pelo edifício. A permutação entre os tipos de fibras óticas e feito através de

conetores. Para reduzir as perdas devido ao intervalo de ar entre as fibras, é aplicado um gel que faz

63

corresponder os índices de transmissão dos dois tipos de fibras, reduzindo drasticamente as perdas do sistema

(H. Han e Tai Kim, 2010; Oh et al., 2013; Tekelioglu e Wood, 2009; Ullah e Shin, 2014; Wang, Abdul-Rahman, e

Rao, 2010; Werring, 2009).

Figura 3.26 – Formato de um feixe de fibras óticas em forma de cabo (esquerda) e conetor entre fibras óticas plásticas e de

vidro (direita) (Tekelioglu e Wood, 2009)

3.7.3.3 EMISSORES DE LUZ

Na emissão de luz para o espaço final as principais preocupações recaem sobre a intensidade e a uniformidade

da luz que chega aos espaços a iluminar. Para este fim são utilizados difusores a jusante dos sistemas de

distribuição de luz natural, representados na Figura 3.27. Estes difusores garantem a iluminação uniforme e para

grandes áreas utilizando a luz solar concentrada que vem dos distribuidores de luz, fibras óticas ou tubos de luz.

Figura 3.27 – Tipos de difusores disponíveis: difusor prismático, difusor Fresnel, difusor de penetração e lâmpada difusora

(da esquerda para a direita) (H. Han e Tai Kim, 2010)

No entanto, os difusores apenas conseguem fornecer iluminação constante dependente das condições de

luminosidade no exterior do edifício, tornando-se difícil manter um nível de intensidade e uniformidade de luz

constante no interior do edifício. Para resolver este problema são criados sistemas híbridos de iluminação, onde,

acoplado ao difusor está um dispositivo de iluminação artificial, LED, e um sensor de luminosidade, que mantem

as condições de iluminação mínimas quando as condições exteriores não são favoráveis (H. Han e Tai Kim, 2010).

3.7.3.4 LUZES LED

LED (Light-Emitting Diode) é uma forma de iluminação extremamente eficiente e de grande potencial de

economia de energia, representados na Figura 3.28. Em comparação com luzes florescentes compactas, os LEDs

são energeticamente mais eficiente, têm uma vida útil extremamente longa, e podem emitir luz de colorida sem

recorrer a filtros coloridos. Devido a sua natureza altamente direcional, a utilização de LEDs é adequada para

64

fontes de luz encastradas ou de projeção. Para utilizações diferentes recorre-se a um difusor ótico para dirigir a

luz em diferentes direções, afetando ligeiramente a luminosidade e a capacidade de arrefecimento dos LEDs.

Figura 3.28 – Exemplos de lâmpadas LED [W16]

A utilização de LEDs em sistemas de lâmpada única com grande luminosidade fornece cerca de 10W de potência

e apresenta uma durabilidade 3 a 5 vezes superior às lâmpadas normais (Han et al., 2010; Ullah e Shin, 2014).

3.7.4 SISTEMAS DINÂMICOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Os sistemas dinâmicos de eficiência energética são produtos para a construção que incorporam uma ou mais

tecnologias que influenciam o desempenho energético de um edifício e que conseguem alterar as suas

propriedades ao longo do tempo.

A aplicação destes sistemas é apresentada como uma alternativa promissora para a obtenção de níveis mais

altos de sustentabilidade no ambiente construído. Comparada com fachadas convencionais, oferecem

oportunidades potenciais de poupança de energia como a melhoria da qualidade do ar interior. Ao combinar os

aspetos benéficos e complementares das tecnologias ativas e passivas para edifícios, podem adotar os conceitos

de adaptabilidade e multifunção. Apesar das perspetivas positivas, estas tecnologias ainda não atingiram a

maturidade suficiente para serem amplamente implementadas em edifícios.

A envolvente do edifício é composta pelos elementos construtivos que se delimitam o exterior, estando sujeitos

a uma variedade de condições climatéricas diferentes, nomeadamente as fachadas, envidraçados e coberturas.

As condições meteorológicas mudam ao longo do dia e do ano, e isso também se aplica à ocupação do edifício e

necessidades de conforto interiores. As envolventes do edifício convencionais, normalmente têm propriedades

estáticas e não têm capacidade de se adaptar em resposta a essas mudanças. Tornar estes elementos reativos e

flexíveis permite uma alteração de gestão do clima interior de um edifício de “fabricado” para “mediado”. Os

sistemas dinâmicos oferecem um elevado potencial para reduzir o consumo de energia para iluminação,

aquecimento e arrefecimento, ao mesmo tempo que contribuem para uma melhoria da qualidade do ar interior

e dos níveis de conforto térmico e visual.

Os sistemas dinâmicos de eficiência energética têm a capacidade de alterar e reverter repetidamente algumas

de suas funções, características ou comportamento ao longo do tempo em resposta a mudanças nos requisitos

de desempenho energético e condições de conforto, melhorando o desempenho geral do edifício. Para atingir

esta flexibilidade dinâmica, estes sistemas são concebidos para manter um alto nível de desempenho recorrendo

65

alterações em tempo real na sua configuração quando as condições de operação ou requisitos funcionais mudam

de uma forma previsível ou imprevisível. Tal implica uma facilidade de modificação dos sistemas e ausência de

componentes irreversíveis ou rígidos. Os sistemas dinâmicos de eficiência energética analisados são descritos na

Tabela 3.6.

Os sistemas controlam as condições interiores do edifício recorrendo ao bloqueio, filtragem, conversão, coleta,

armazenamento ou transmissão através dos vários campos de eficiência energética. Os sistemas dinâmicos

influenciam o desempenho de edifícios em quatro campos distintos: Térmica, iluminação, Ventilação e

eletricidade.

A nível de controlo, os sistemas analisados podem ser dependentes de um sistema central de controlo ou

independentes do resto do edifício. Tornam-se independentes através da integração de mecanismos, sensores

e atuadores necessários que garantem os requisitos de conforto térmico necessários, ou dependentes estando

simplesmente ligados, com ou sem fios aos sistemas de controlo centrais do edifício (Loonen, Tr, Cóstola, e

Hensen, 2010, 2013).

Tabela 3.6 – Características gerais de Sistemas dinâmicos de eficiência energética

Sistemas dinâmicos de

eficiência energética

Coeficiente de transmissão térmica/

caudal de ventilação natural /

capacidade de aquecimento

Dimensões

Tipo de

inovação

Maturidade

Fachada ativa ABE

0,14 W/ m2.K (isolamento opaco de painéis VIP + módulos termoelétrico) 1,4 W/m2.ºK (Vidro) Ventilação natural: 12 m3/h Bomba de calor: 126 - 172 kJ/h (capacidade de arrefecimento)

900 x 3000 mm Radical Protótipo

Fachada adaptável CAS

2,6 W/m2.K (vidro) 0.05 W/m2.K (isolamento dinâmico) Ventilação natural: 24 m3/h Pcm: 175 kJ/kg (calor latente)

900 x 3000 mm Radical Protótipo

Varanda Bloomframe 1,2 W/m².K (vidro) 0,57 W/m².K (estrutura) Ventilação natural: 0 m3/h

2620 x 1050 mm Sistema Comercializado

Janela Fakro 1,1 - 1,5 W/m2.K (vidro) Ventilação natural: 28 m3/h

780 x 2550 mm 940 x 2550 mm


3.7.4.1 FACHADA ACTIVA ABE

A fachada ativa ABE, ou Active Building Envelope, existe em duas versões: uma composta por uma superfície

opaca isolada termicamente com vips, e outra com uma superfície transparente de vidro com revestimento de

baixa emissividade, representadas na Figura 3.29.

66

Figura 3.29 – Fachada ativa opaca e seus componentes (esquerda) e fachada ativa transparente e seus componentes

(direita) (Xu e Van Dessel, 2008)

Ambas as versões são compostas por células fotovoltaicas (PV) que são usadas para transformar a energia solar

diretamente em energia elétrica. Esta energia elétrica é posteriormente utilizada para o funcionamento de uma

bomba de calor termoelétrica (TE). Dependendo da direção da corrente elétrica aplicada no sistema de TE,

sistemas ABE pode operar num modo de arrefecimento ou aquecimento. A fachada ativa transparente distingue-

se da opaca pois utiliza água como unidade de armazenamento de calor, ao contrário da opaca que utiliza o ar.

O sistema de fachada ativa representa um novo método de controlo térmico. O sistema consiste em dois

componentes básicos, o sistema fotovoltaico (FV) e o sistema Termoelétrico (TE). O sistema fotovoltaico

converte a energia da radiação solar em energia elétrica e o sistema TE transforma a energia elétrica em energia

térmica. Os componentes termoelétricos (TE) estão localizados nas várias aberturas das camadas de isolamento,

sendo que cada sistema de fachada ativa tem dois dissipadores de calor: um para a absorção de calor, e outro

para a dissipação de calor.

Entre os sistemas termoelétrico e fotovoltaico existe uma caixa-de-ar onde as trocas de calor ocorrem e onde se

consegue, através de fluxos de ar naturais ou promovidos artificialmente, aquecer ou arrefecer o edifício.

Esta flexibilidade da fachada ativa é conseguida simplesmente alterando a corrente fornecida aos dissipadores

de calor, o que permite que funcionem como aquecedores, enviando ar quente para dentro do edifício ou como

sistemas de arrefecimento enviando ar frio para dentro do edifício. A eficiência deste sistema aumenta

dramaticamente se, por meio de ventilação natural ou assistida se promovam maiores caudais de ar nesta zona

de troca de calor. Tal é conseguido de duas formas: criando aberturas nas paredes interiores do edifício que

facilitem a circulação do ar por convecção ou instalando dispositivos que o façam artificialmente, como por

exemplo ventiladores.

Na ótica desta dissertação não se recomenda a utilização de meios de ventilação artificiais pois exigem grande

consumo energético ao edifício e, neste caso, funcionam interruptamente. Várias instalações deste sistema

provam que os ganhos de eficiência do dissipador de calor aliado a uma boa estratégia de ventilação tornam a

67

fachada ativa ABE energeticamente eficiente e pró-ativa na melhoria das condições de conforto dentro de

edifícios (Khire et al., 2005; Tsai e Lee, 2010; Xu et al., 2007; Xu e Van Dessel, 2008).

3.7.4.2 FACHADA ADAPTÁVEL CAS

A fachada adaptável CAS, ou Climate Adaptive Skin, é composta por uma secção transparente, semelhante a uma

janela ou vão envidraçado, e uma secção opaca, como representado na Figura 3.30. As tecnologias que a

compõem incluem uma camada de vidro electrocrómico, para controlo de iluminação e ganhos solares, uma

válvula de entrada de ar, uma ventoinha, e uma camada de isolamento dinâmico microporoso, para controlo de

ventilação e qualidade de ar interior e uma placa material de mudança de fase, ou PCM, para controlo térmico

das condições interiores do edifício.

Porque a fachada opera utilizando tecnologias passivas, é menos dependente de fostes de eletricidade ou calor

provenientes do edifício. Este modo de operação independente torna-a atrativa não só para a construção de

edifícios novos como também para a aplicação em reabilitação de edifícios, ao mesmo tempo que reduz a

necessidade de manutenção.

Figura 3.30 – Esquema e componentes da fachada adaptável (esquerda) e secção de um protótipo (direita) (Boer e Ruijg,

2011)

Um fator importante no desempenho da fachada é a forma de ventilação integrada no sistema. Parte da camada

interior é composta por isolamento dinâmico (DI), que consiste num material isolante (por exemplo, lã de rocha)

num invólucro poroso, que permite a ventilação de ar para o interior do edifício a velocidade baixas e uniformes

evitando correntes de ar. O ar penetra na fachada diretamente a partir do exterior e é condicionado pelas placas

de PCM, que têm uma temperatura constante entre 18 ° C e 22 ° C.

No Verão, estas placas armazenam o frio durante a noite, enquanto o interior do edifício é arrefecido com o ar

exterior. Durante o dia o ar é arrefecido pelas placas PCM a uma temperatura de cerca de 18 graus, quando a

temperatura exterior aumenta, e enviado para o interior do edifício.

68

No inverno o ar é puxado não diretamente a partir do exterior, mas a partir de uma cavidade na camada exterior.

Desta forma, o ar pode, potencialmente, ser pré-aquecido por irradiação solar. As placas PCM aquecem o ar na

cavidade até uma temperatura de aproximadamente 22 ° C. Após o condicionamento, o ar é distribuído para o

interior da cavidade por trás da parede interior, que é pressurizado por um ventilador, forçando o ar através do

material filtrante microporoso, a partir de onde é distribuído para o interior do edifício.

Este material poroso funciona como um isolante dinâmico, efetivamente filtrando partículas do ar, e melhorando

a qualidade do ar interior sem recorrer a equipamentos de ar-condicionado com filtros de ar.

Sempre que seja necessário, o ar fresco exterior pode ser fornecido manualmente através da abertura da janela.

Isto não só fornece uma fonte física de ar fresco, como também a possibilidade de controlo ao ocupante.

Em caso de períodos prolongados de frio, um pequeno dispositivo de aquecimento pode aquecer o PCM durante

a noite (eletricidade barata), carregando o PCM para o dia seguinte. Se o tempo permitir, o ar pode ser retirado

da cavidade externa, que é pré-aquecida pelo sol, reduzindo o consumo de energia elétrica pelo pequeno

dispositivo de aquecimento.

As perdas de energia térmica através da fachada são mitigadas pela extração do ar através da camada interior.

Este processo, que também é conhecido como o isolamento dinâmico, depende da criação um fluxo de ar para

dentro através do isolamento, com o isolamento eficaz que trabalha como um permutador de calor. A perda de

calor para o exterior pode ser reduzida praticamente a zero por este processo. A prevenção da perda de calor

através da fachada reduz a necessidade de aquecimento adicional.

A fachada, como um todo, é constituída por material transparente ou translúcido, com exceção das placas de

PCM no parapeito. Isto beneficia o sistema por duas razões: a primeira é que, por causa da natureza transparente

da fachada, a luz do dia é capaz de penetrar no ambiente ao longo de toda a altura da fachada, proporcionando

luz difusa distribuída uniformemente, reduzindo a necessidade de iluminação artificial adicional. A segunda razão

é a redução de brilho, impedindo grandes diferenças no nível de iluminação dentro da própria fachada. Para

impedir a incidência direta de raios solares indesejados através da parte transparente da fachada, e para dar ao

ocupante a capacidade de bloquear completamente a luz do dia, quando necessário, a folha média está equipada

com vidro electrocrómico, que muda de transparente para opaco sob a influência de uma corrente elétrica. O

ocupante controla o nível de transparência, ajustando a altura da corrente aplicada. Devido às necessidades de

sombreamento recomenda-se a integração de um sistema dinâmico de sombreamento como o que já foi

demonstrado anteriormente (Boer e Ruijg, 2011; Hasselaar e Looman, 2007; Loonen et al., 2010).

3.7.4.3 VARANDA DINÂMICA BLOOMFRAME

A varanda dinâmica BloomFrame consiste numa moldura semelhante a uma janela que se transforma numa

varanda em poucos segundos. Desta forma os ocupantes podem adicionar luz, ar fresco e espaço com um simples

apertar de um botão. Esta varanda dinâmica oferece uma oportunidade de adicionar espaço ao ar livre para

apartamentos compactos, escritórios ou hotéis em áreas urbanas, como é possível ver na Figura 3.31.

69

A varanda dinâmica é composta por um mecanismo elétrico que controla a posição da varanda. Fechada pode

funcionar como uma janela ou vão envidraçado composto por vidro com revestimento de baixa emissividade e,

quando ativada, transforma-se numa varanda com capacidade de carga de 2500 N/m². Com uma largura máxima

de 3m, o elemento de fachada pode ser produzido em vários materiais transparentes e opacos, conseguindo ser

integrada em fachadas novas ou existentes com grande flexibilidade. Do ponto de vista de eficiência energética,

este sistema dinâmico contribui para uma maior inercia térmica do edifício devido à sua estrutura em alumínio

devidamente isolada e vidros de alta resistência com revestimentos de baixa emissividade.

Uma alternativa de menores dimensões para coberturas é produzida pela Fakro, também representada na Figura

3.31. Mantendo o mesmo conceito, esta janela é operada manualmente e é direcionada para a instalação em

coberturas.

Figura 3.31 – Varanda dinâmica BloomFrame com elementos em vidro (esquerda) e Varanda dinâmica Fakro (direita) [W17]

Para além de ser uma tecnologia que permite criar área útil em edifícios residenciais e comerciais, a possibilidade

de poder operar em dois estados permite, no inverno, garantir a continuidade da fachada e melhorar

consideravelmente as condições de conforto visual e luminosidade e, no verão, contribuir para a renovação do

ar interior do edifício (Catálogo bloomframe, 2013; catalogo Fakro, 2013).

SISTEMAS DE INFORMAÇÃO Os sistemas de informação uteis para a construção e engenharia civil são caracterizados principalmente pela sua

capacidade de distribuir e coordenar dados e, assim, permitir um controlo mais preciso dos sistemas tecnológicos

implementados nos edifícios. Podendo apenas funcionar como uma ferramenta de apoio à decisão no que toca

à otimização energética do edifício, podem também funcionar de maneira ativa, promovendo a alteração do

comportamento dos ocupantes e controlando, através de atuadores, sistemas ativos e passivos de eficiência

energética.

Na Tabela 3.7 apresentam-se as características gerais dos sistemas de informação analisados, com valores de

sensibilidade retirados das tabelas técnicas da bibliografia consultada.

70

Tabela 3.7 – Características gerais dos sistemas de informação

Sistemas de informação Flexibilidade /

Modularidade Interação Sensibilidade

Tipo de


WaterBeep (agua) Alta Simples 15 em 15 min Incremental Comercializado

Re:dy (Elétrico) Alta Simples 1 em 1 min Incremental Comercializado

The owl (elétrico) Alta Simples 1 em 1 min Incremental Comercializado

Cloogy (elétrico) Alta Simples 1 em 1 min Incremental Comercializado

Micro sensor BME Alta Simples

0,5 °C

3% Humidade R.

5% Luminosidade

Sistema Protótipo

Ecobee Alta Simples

0,5 °C

3% Humidade R.

5% Luminosidade


Sistemas de informação Flexibilidade /

Modularidade Interação Sensibilidade

Tipo de


Nest Alta Simples

0,5 °C

3% Humidade R.

5% Luminosidade


Rede de sensores sem fios Média Complexa

0,5 °C

3% Humidade R.

5% Luminosidade


Sistemas de automação de

edifícios Baixa Complexa

0,5 °C

3% Humidade R.

5% Luminosidade


3.8.1 SISTEMAS DE MONITORIZAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE CONSUMO No contexto de edifícios residenciais e comerciais, estes sistemas podem ser aplicados sobre a forma de

contadores inteligentes que são capazes de otimizar o fornecimento de energia em tempo e espaço,

proporcionando serviços exatamente onde são necessários, quando são necessários, e na quantidade em que

são ou necessários. Simultaneamente são também capazes de fornecer feedback rápido para os ocupantes sobre

o consumo energético por aparelho, sala, hora do dia, e assim por diante.

As aplicações incluem edifícios residenciais e comerciais, favorecendo-se uma arquitetura modular no sector

residencial e uma arquitetura integrada nos edifícios comerciais.

Nos edifícios comerciais, onde se registam elevados valores de consumo, é preferível recorrer a sistemas

integrados que, através de uma colocação planeada permitem o registo de consumos em zonas diferenciadas do

edifício e facilitam a otimização para o gestor do edifício.

71

Os contadores inteligentes de gás e água substituem os contadores convencionais já existentes e funcionam

sobre o mesmo princípio, isto é, são sensores de caudal tradicionais mas equipados com um pequeno ecrã lcd,

um microprocessador e hardware de encriptação, transmissão e receção de dados.

Os contadores inteligentes de eletricidade substituem igualmente os contadores convencionais de corrente

direta ou alternada, medindo a corrente e a voltagem elétrica, com a vantagem de poderem ser instalados em

diferentes fases do sistema elétrico do edifício. Isto permite medir com precisão e em tempo real, os consumos

médios e de pico de diferentes zonas do edifício associadas a uma mesma fase e de diferentes tipos de

equipamentos elétricos, como por exemplo iluminação e sistemas AVAC. Os contadores inteligentes de

eletricidade são compostos por:

Um medidor de corrente,

Um medidor de voltagem,

Um microprocessador,

Um pequeno ecrã lcd,

Um módulo de encriptação, transmissão e receção de dados.

Estes contadores tornam-se muito úteis em edifícios comerciais ocupados simultaneamente com escritórios,

zonas comerciais e de restauração, pois permitem obter este tipo de informação diferenciada numa central de

registo. Assim o gestor do edifício consegue tomar decisões mais informadas e com mais segurança sobre como

e quando e onde é possível reduzir os consumos energéticos do edifício e também que estratégia escolher para

tornar o edifício globalmente mais eficiente.

Nos edifícios residenciais a abordagem modular faz mais sentido pois é necessário um certo grau de flexibilidade

e simplicidade presente nos contadores inteligentes direcionados para aplicações residenciais. Assim os

contadores inteligentes são exatamente iguais aos utilizados nos edifícios comerciais com a diferença de

comunicarem a informação para uma estrutura Cloud que pode ser acedida através de qualquer equipamento

com ligação à internet.

A nível nacional são distinguidos dois produtos nesta categoria: o remote energy dynamics (re:dy) da empresa

EDP que funciona como um sistema autónomo de monitorização e controlo do consumo de eletricidade, e o

waterbeep da Epal que monitoriza o consumo de água do edifício.

O sistema re:dy é composto por um módulo de controlo de dados, duas tomadas elétricas com transmissão de

dados, e um contador inteligente ligado á instalação elétrica, representados na Figura 3.32.

72

Figura 3.32 – Componentes do sistema Redy [W18]

O controlador de dados é o principal componente do serviço e liga-se remotamente ao contador, recebe e

processa os dados de consumo do edifício e dos seus equipamentos.

O sistema Re:dy permite o acesso, controlo e monitorização dos consumos do edifício remotamente através de

um smartphone, Tablet ou computador. As tomadas elétricas inteligentes possibilitam ainda o controlo de

iluminação e sistemas de climatização, podendo ainda eliminar automaticamente o consumo de equipamentos

em standby. Alternativas semelhantes e viáveis para este sistema existem e conseguem uma maior integração

com o sistema elétrico do edifício: o sistema Cloogy e o sistema Owl.

O sistema waterbeep consiste num contador inteligente e com capacidade de transmissão de dados, que

substitui o contador de água já existente, como representado na Figura 3.33. A independência deste contador

inteligente torna-o atrativo pois comunica diretamente com a cloud da empresa epal e torna os dados acessíveis

remotamente através de qualquer equipamento com ligação à internet. A sua utilidade centra-se na

possibilidade de consulta de consumo de água detalhada com intervalos máximos de 15 minutos e a deteção

remota de ruturas na canalização.

Figura 3.33 – Componente do sistema Waterbeep [W19]

A principal função destes contadores inteligentes no sector residencial é fornecer informação detalhada sobre o

consumo de recursos como a água gás e eletricidade, com intervalos não superiores a 20 minutos, que permitam

ao ocupante tomar decisões informadas como se pode ver na Figura 3.34.

Ueno et al., realizou um estudo onde os resultados indicaram que o aumento da informação disponível para os

ocupantes no que respeita á utilização de energia tem um efeito importante sobre o comportamento de

consumo. Em média, após a instalação o consumo total de energia foi reduzido em 12%, influenciando também

70% dos utilizadores a tomarem ações para reduzir o consumo de energia no aquecimento dos seus edifícios.

73

Figura 3.34 – Dados de consumo de água antes da instalação do contador inteligente (esquerda) e depois da sua instalação

(direita) [W19]

3.8.1 SENSORES E INTERFACES Os sensores utilizados em edifícios fazem parte da estratégia para criar construções inteligentes, eficientes e

seguras. Os sensores aqui abordados têm um papel fundamental na gestão da energia de edifícios, na automação

de processos e na monitorização das condições de conforto e segurança da estrutura e dos seus ocupantes.

Tradicionalmente os sensores utilizados em edifícios residenciais e comerciais são integrados em elementos

construtivos com o objetivo de monitorizar as condições de temperatura, humidade, iluminação, qualidade do

ar e deteção de movimento. Os sensores são usualmente distribuídos pelo edifício e requerem todo um sistema

cabos integrado no edifício aliado a um sistema que controle e registe a informação obtida.

Novos desenvolvimentos tecnológicos permitem que estes sensores atinjam dimensões muito reduzidas, com

baterias que os tornam autónomos e possibilitam comunicação fiável sem fios. Utilizando estas novas tecnologias

é possível seguir três estratégias distintas para a instalação de sensores em edifícios: a centralização dos sensores

no ocupante, a incorporação de sensores em interfaces inteligentes, e a criação de redes de sensores sem fios.

O sensor BME 280, representado na Figura 3.35, é a última revelação da empresa Bosh. Trata-se de um sensor

ambiental integrado desenvolvido especificamente para aplicações móveis onde tamanho e baixo consumo de

energia são restritivos. A unidade combina, sensores de alta precisão de pressão, humidade e temperatura num

involucro metálico de 2,5 x 2,5 x 0,93 projetado para baixo consumo de energia (3.6 μA @1Hz).

O sensor de humidade possui um tempo de resposta extremamente rápido, e alta precisão sobre uma ampla

gama de temperaturas variando entre 0% e 100% de humidade relativa com um erro máximo de 3%. O sensor

de pressão é um sensor de pressão barométrica absoluta com características de alta precisão e resolução com

capacidade para detetar valores entre 300 e 1100 hPa. O sensor de temperatura é utilizado principalmente para

a compensação de temperatura dos sensores de pressão e de humidade, e também pode ser utilizado para

estimar a temperatura ambiente com um alcance entre -40 e +85 °C.

74

Figura 3.35 – Sensor BME 280 para smartphones e tablets [W20]

Integrando este tipo de sensor em dispositivos móveis, como smartphones, tablets ou dispositivos de controlo

de energia com comunicação de dados sem fios, torna-se possível obter as condições de conforto térmico e

localização diretamente a partir do ocupante, ao contrário de um sensor num ponto fixo do edifício. O potencial

desta tecnologia pode alterar a forma como são obtidos os valores de temperatura, humidade e ocupação de

edifícios, fomentando uma gestão personalizada de energia em edifícios, com custos reduzidos, onde o ocupante

se torna o sensor principal em constante comunicação com os sistemas de climatização.

A utilização de sensores com interfaces inteligentes tem sobretudo aplicações em edifícios residenciais, onde a

modularidade e facilidade de instalação têm mais importância. Como já foi referido, o comportamento dos

ocupantes de um dado edifico pode ser influenciado positivamente, a nível de consumo energético, com a

simples apresentação de dados de uma forma atrativa e de fácil perceção. A nova geração de interfaces,

representados na Figura 3.36, fazem muito mais, recorrendo a algoritmos de previsão de comportamento e

modos de operação inteligentes, otimizam a gestão dos sistemas climatização, iluminação e ventilação com base

nas preferências do utilizador e nas condições interiores do edifício. Outra vantagem reside na capacidade destes

equipamentos poderem comunicar com outros interfaces, aplicações para smartphones, tablets e computadores

através de redes sem fios, que possibilitam o acesso remoto com uma simples ligação à internet.

Existem atualmente duas soluções competitivas fornecidas pelas empresas Nest e Ecobee. Ambos os produtos

designam-se por termostatos inteligentes, com capacidade de comunicação de dados utilizando redes sem fios,

disponibilizando aplicações para smartphones e tablets para controlo remoto do dispositivo. Dispondo de

sensores de humidade, temperatura, iluminância e de movimento controlam as condições de conforto térmico

do edifício, ajustando a temperatura dos sistemas de aquecimento existentes. Estes termostatos inteligentes

poupam energia detetando se a casa está ocupada (Nest) ou calculando a que distancia se encontram os

utilizadores da casa (Ecobee), podendo desligar o aquecimento quando detetam que não existem ocupantes.

75

Figura 3.36 – Termóstato inteligente Ecobee (esquerda) e Nest (direita) [W21]

Para edifícios comerciais não se torna fiável a utilização de apenas um sensor para monitorizar as condições

interiores do edifício. Para tal recorre-se a uma rede de sensores sem fios composta essencialmente por nódulos

e gateways de dados.

A rede de sensores sem fios utiliza os nódulos equipados com sensores instalados em pontos-chave do edifício

para recolher informação sobre temperatura, humidade, qualidade do ar interior e ocupação, que

posteriormente é enviada para o gateway de dados mais próximo. No gateway de dados a informação recolhida

é processada e organizada e posteriormente partilhada com sistemas externos que possibilitam a visualização

compreensiva dos dados obtidos de cada sensor, permitindo então monitorizar o edifício em tempo real como

representado na Figura 3.37.

Figura 3.37 – Valores de temperatura e humidade relativa recolhidos pela rede de sensores sem fios (esquerda) e sua

arquitetura (direita) [W22]

Uma grande vantagem deste sistema é o facto de ser extremamente flexível. Recorrendo a uma gama de mais

de 60 sensores, pode medir qualquer tipo de valor, comunicando com o gateway de dados através de qualquer

protocolo (wi-fi, 3g, Bluetooth, Nfc entre outros) e apresentando os dados recolhidos em qualquer sistema (SAP,

Windows, Osx, android, entre outros). Tal flexibilidade é atingida através dos componentes físicos utilizados nos

nódulos e nos gateways de dados.

76

Os nódulos são dispositivos autónomos equipados com vários sensores responsáveis pela coleta de dados

relativos às condições interiores de um edifício e os gateways de dados são dispositivos equipados com módulos

de transmissão de dados responsáveis pela organização e transmissão de dados recolhidos, como representados

na Figura 3.38.

Figura 3.38 – Nódulo modular com vários sensores (esquerda) e gateway de dados (direita) [W22]

Os nódulos são compostos por um microcontrolador, uma bateria, uma unidade de armazenamento, um módulo

de comunicações sem fios e uma vasta gama de sensores. A estrutura modular destes nódulos permite

acrescentar sensores sempre que necessário conectando simplesmente ao nodulo já existente.

Os gateways de dados são compostos por routers multiprotocolo que permitem abranger um vasto número de

protocolos de comunicação, com ou sem fios, sem ser necessária uma atualização ou substituição do dispositivo.

3.8.2 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DE EDIFÍCIOS (BAS) Os sistemas de automação de edifícios fazem uso de sistemas de informação, da domótica e da integração das

suas diversas funções, para poderem criar uma perfeita sintonia entre o habitante e o edifício, contribuir para

elevar o nível de conforto ambiental e oferecer uma série de serviços úteis.

Os sistemas protegem ativamente o meio ambiente, na medida em que geram rotinas de otimização de

processos que permitem um uso mais racional dos recursos naturais e uma disposição mais racional do espaço

habitável. As aplicações domóticas mais comuns que favorecem o desempenho energético do edifício são a

gestão de energia, o controlo de persianas, o controlo de iluminação, a gestão de ar condicionado e aquecimento.

A introdução de tecnologias de informação e de domótica em edifícios obrigam à presença de uma série de

infraestruturas de redes e sistemas que requerem espaço físico para passagem de cabos de ligação entre os

componentes do sistema. Na construção nova, desde que pensada ainda em projeto, revela pouca complexidade

na sua implementação, no entanto, na reabilitação de edifícios, a implementação apresenta algumas

condicionantes que dependem da natureza da reabilitação a empreender. As limitações de passagens de cabos

na reabilitação são superadas, habitualmente, com recurso às redes sem fios como complemento, ou

substituindo a rede cablada. A aplicação de tecnologia sem fios permite maior flexibilidade, grande ubiquidade,

e facilidade em adaptar-se a necessidades variáveis.

77

Estes sistemas, para além de toda a infraestrutura de processamento e comunicação, são compostos por dois

tipos de equipamentos: sensores e atuadores.

Os atuadores são equipamentos que, com base nos dados obtidos em tempo-real, otimizam a resposta dos vários

elementos do edifício, através da domótica e do controlo de sistemas de climatização, para que sejam atingidas

as condições de conforto e segurança pré-estabelecidas pelo ocupante. Podem ser autónomos quando ligados

diretamente a um sensor ou dependentes quando necessitarem de estar conectados para serem ativados. A

vantagem dos sensores autónomos reside no facto de funcionarem como um sistema fechado e modular

facilitando a sua instalação e perfeitos para edifícios residenciais novos e reabilitados. Os atuadores dependentes

permitem um maior controlo e uma integração na estratégia geral de eficiência energética de um edifício, sendo

ideais para edifícios comerciais de maior escala. A conectividade destes atuadores pode ser feita com fios ou

através de redes de comunicação sem fios.

Estes atuadores podem ser mecânicos ou digitais. Os atuadores digitais são aqueles que controlam o sistema

elétrico do edifício, onde se incluem a iluminação, os sistemas de aquecimento/arrefecimento e sistemas de

informação de edifícios e não serão detalhados nesta dissertação.

Os atuadores mecânicos são definidos como equipamentos que têm um impacto físico e observável em

elementos construtivos do edifício, como por exemplo janelas, portas, entradas de ventilação e sistemas de

sombreamento.

Figura 3.39 – Atuadores em janelas e envidraçados lineares (esquerda) e de corrente (direita) [W23]

Existem três tipos de atuadores de janelas: os lineares, de maiores dimensões e potência que através de um

sistema hidráulico controlam a abertura dos envidraçados; os de corrente, mais compactos e estéticos que têm

a mesma função; e os magnéticos que garantem a segurança dos envidraçados, que bloqueiam os envidraçados

na posição fechada, representados na Figura 3.39.

Os atuadores que controlam entradas e saídas de ar do edifício são denominados atuadores de controlo de

volume de ar, representados na Figura 3.40. Equipados com sensores próprios conseguem detetar a pressão

atmosférica nas aberturas de entrada de ar e determinar se o fluxo de ar é adequado para o edifício. Abrindo ou

78

fechando os sistemas de ventilação natural promovem uma melhoria significativa na eficiência energética do

edifício, podendo estar ligados ao sistema central de automação do edifício.

Figura 3.40 – Atuadores em ventilação natural aplicados a grelhas de ventilação (esquerda e centro) e atuadores de

condutas de ventilação (direita) [W24]

Quando integrados em sistemas de sombreamento, os atuadores podem efetivamente mitigar os ganhos solares

em edifícios. Compostos por um sistema hidráulico, podem ajustar o angulo dos elementos de sombreamento

nas fachadas e coberturas dos edifícios e assim controlar a incidência solar direta, como se exemplifica na Figura

3.41. De maneira geral cada atuador controla uma série de elementos de sombreamento e tem a capacidade de

manter qualquer posição e angulo pré-definido. Estes elementos de sombreamento podem ser horizontais,

verticais ou até deslizantes pelo que existem uma multitude de soluções disponíveis.

Figura 3.41 – Atuadores em elementos de sombreamento horizontais (esquerda e centro) e verticais (direita) [W25]

Estes sistemas de automação são adequados para qualquer tipo de construção nova, podendo facilmente ser

aplicados na reabilitação de edifícios pois podem ser instalados sobre uma fachada já existente.

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO Neste capítulo foram identificados as soluções construtivas e tecnologias que permitem alcançar os objetivos

traçados. As tecnologias abordadas apresentam uma maturidade já elevada. Apenas uma solução em cada área

79

de estudo está na fase de protótipo, sendo que as restantes já se encontram comercializáveis. Este é um ponto

importante visto que permitem uma aplicação imediata em edifícios já construídos, como medidas de

reabilitação, ou em edifícios novos, evitando os custos associados à certificação de novos produtos da construção

pelas entidades competentes.

A nível do tipo de inovação, as tecnologias analisadas são maioritariamente do tipo incremental, modular,

arquitetónica e de sistema. Os dois primeiros tipos de inovação denotam uma grande facilidade de

implementação na construção de edifícios pela sua independência de outros sistemas construtivos. As inovações

radicais, arquitetónicas e de sistema caracterizam-se por uma complexidade elevada e grande interação com

outros sistemas e soluções construtivas, o que dificulta a sua implementação no mercado e requer uma alteração

mais profunda no processo da construção.

Resta saber como se comportam estas tecnologias quando aplicadas em edifícios e qual o seu real desempenho.

No capítulo seguinte analisam-se casos de estudo e apresentam-se os resultados de desempenho térmico e

energético. Assim é possível identificar as soluções que têm um bom desempenho quando combinadas e as

melhores práticas na sua integração em edifícios.

81

4. CASOS DE ESTUDO

INTRODUÇÃO As propostas apresentadas baseiam-se principalmente em métodos experimentais e protótipos dos vários

sistemas, tecnologias e materiais. Recorrendo a simulações computacionais, protótipos testados em laboratório

ou construções de pequena escala, chegam-se a resultados de eficiência energética, minimização de desperdício

e aplicabilidade para as várias soluções apresentadas. Estes resultados carecem de aplicação em edifícios

correntes para que a real mais-valia da introdução destas tecnologias e materiais possa ser avaliada de forma

integrada. Devido ao caracter inovador das várias propostas encontram-se estas aplicações geralmente apenas

em edifícios comerciais de grandes dimensões ou em edifícios modelo construídos propositadamente para a

demonstração deste tipo de tecnologias, como resumido na Tabela 4.1.

Neste capítulo analisam-se edifícios comerciais construídos em Portugal que utilizam algumas das tecnologias e

sistemas propostos que se destacam pela inovação nos processos construtivos de edifícios. A nível internacional

é analisado um edifício modelo construído como protótipo à escala real que apresenta um elevado nível de

inovação e integração de tecnologias na sua conceção, construção e gestão.

Tabela 4.1 – Resumo dos casos de estudo analisados e soluções e tecnologias aplicadas.

Casos de estudo Características do

edifício Soluções e tecnologias

Instituto Superior

Técnico

(Visita técnica)

Área útil: 21.000m2 Pisos: 4 andares Atividade: Edifício de ensino

Rede de sensores sem fios e interfaces, Contadores inteligentes, Tomadas inteligentes, Automação de iluminação e sistema AVAC;

Hospital de Cascais

(Visita técnica)

Área útil: 28.332m² Pisos: 7 andares Atividade: Edifício hospitalar

Contadores inteligentes, Dupla filtragem sistema de ventilação, Piso técnico de sistema de ventilação, Sistema de gestão da manutenção;

Edifício Solar XXI

(Publicação consultada)

Área útil: 3000 m2

Pisos: 2 andares Atividade: Edifício de escritórios

Ventilação natural, Sistema de arrefecimento passivo, Iluminação natural, Fachada ativa ABE;

Edifício SurPlus Home

(Projecto de execução)

Área útil: 128 m2

Pisos: 2 andares Atividade: edifício de demonstração

Isolamento com painéis de isolamento em vácuo (VIPs), Materiais de mudança de fase (PCM), Ventilação natural com PCM, Sistema de sombreamento automático.

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO – POLO TAGUSPARK O edifício do Técnico Lisboa situado no Taguspark é um edifício destinado ao ensino universitário com uma área

total de 21.000m2 (incluindo estacionamento), dos quais 9.000m2 são de salas de aulas, laboratórios e

anfiteatros. Desenvolvendo-se em planta semicircular numa extensão de 60m, com um vazio central coberto por

82

uma claraboia constituída por vigas pré-fabricadas de betão armado pré-esforçado com 25m de vão. A estrutura

do edifício é em betão armado com pilares circulares e pavimentos com vãos de 8m.

Figura 4.1 – Edifício Instituto Superior técnico, polo Tagus Park [W26]

O foco deste caso de estudo insere-se no programa implementado neste polo universitário denominado Smart

Campus, ou Campus Inteligente. O objetivo deste programa visa a implementação de equipamentos e

tecnologias que sustentem de que forma as tecnologias de informação promovem mudanças no comportamento

dos ocupantes na utilização de energia em edifícios públicos, contribuindo para a redução do consumo de

energia. A diminuição do consumo de energia no campus piloto é alcançado através do incentivo à mudança de

comportamento dos ocupantes piloto no que toca às suas escolhas de consumo de energia todos os dias e

através da implementação de tecnologias inteligentes e eficientes.

Tabela 4.2 – Descrição dos equipamentos instalados nas áreas de teste (Kippo e Koivumaa 2014)

LOCALIZAÇÃO EQUIPAMENTO

Núcleo 14

Solução KNX

16 Circuitos de controlo de iluminação 13 Módulos de controlo de AVAC 13 Painéis de controlo 3 Sensores de movimento

Sala de computadores

Solução iLIGHT

8 Luzes reguláveis Módulo iCAN de controlo de corrente Sensores de temperatura, humidade, luminosidade e CO2 Sombreamento automático

Biblioteca central

Solução iLIGHT + 40 DALI Ballasts (36W)

16 Luzes reguláveis Módulo iCAN de controlo de corrente Sensores de temperatura, humidade, luminosidade e CO2

Laboratório de energia

Sensores de temperatura, humidade e CO2 8 Luzes reguláveis Sombreamento automático Interface de visualização de consumo energético Interface de controlo de condições de conforto interiores

Anfiteatro 4

Solução iLIGHT

18 Luzes reguláveis Módulo iCAN de controlo de corrente Sensores de temperatura, humidade, luminosidade e CO2 Sensor de ocupação Interface de seleção de cenário de iluminação e AVAC

Para este projeto foram selecionadas cinco áreas para teste: o Núcleo 14 (sede do MIT), uma sala de

computadores, a biblioteca central, o anfiteatro numero 4 e o laboratório de energia. Foi simultaneamente

83

desenvolvida uma aplicação, pelo Instituto Superior Técnico, para dispositivos móveis que, aliada aos interfaces

de controlo de iluminação e AVAC, permite aos ocupantes, professores e alunos, definir os níveis de temperatura,

iluminação e ventilação de conforto, contribuindo assim para uma otimização dos sistemas implementados.

Nestas áreas foram integrados sensores de movimento, temperatura, humidade e CO2, interfaces de controlo de

iluminação e temperatura, atuadores de iluminação, de sistema de AVAC e de sombreamento, e finalmente

contadores inteligentes de eletricidade gás e água como descrito detalhadamente na Tabela 4.2.

4.2.1 CONTADORES INTELIGENTES Os contadores inteligentes, representados na Figura 4.2, foram os primeiros a ser instalados permitindo a

monitorização em intervalos horários dos consumos energéticos das várias salas e da eficiência dos

equipamentos instalados, como se apresenta na Figura 4.3.

Figura 4.2 – Contadores de eletricidade inteligentes (esquerda) e controladores de correntes instalados nas várias áreas de

teste (direita)

Figura 4.3 – Consumo elétrico horário medido no intervalo de 15 dias na biblioteca (esquerda) e no anfiteatro 4 (direita)

(Pombeiro e Silva 2014)

84

Os contadores instalados servem para a monitorização e controlo remoto de uma instalação elétrica trifásica e

permitem a distinção de todos os consumos elétricos de cada área de teste, como por exemplo iluminação,

sistemas AVAC, projetores e aparelhos ligados a tomadas elétricas.

Estes contadores bem como todos os interfaces, sensores e atuadores estão ligados por uma rede virtual

diretamente ao núcleo 14 que funciona como gestor destes 4 espaços. Este tipo de monitorização permitiu uma

caracterização das condições das várias áreas de teste com grande detalhe como se exemplifica na Figura 4.3.

4.2.2 BIBLIOTECA CENTRAL Na biblioteca central foi instalado um sistema de controlo automático das condições de luminosidade,

constituído por sensores de luminosidade, luzes reguláveis e um interface de controlo de luz, representados na

Figura 4.4, com três cenários pré-definidos: máximo médio e mínimo, controlado pelo staff responsável por

aquele espaço.

Desta forma consegue-se uma poupança energética máxima de 9% sendo que 2,7% se devem ao controlo da

intensidade da iluminação interior por parte dos responsáveis do espaço por pedido dos ocupantes e os restantes

6,3% pelo aconselhamento dos locais a ocupar com melhores condições de luminosidade fornecidas pelo

sistema, dispensado a iluminação interior artificial.

Figura 4.4 – Descrição dos vários cenários de iluminação interior e interface de controlo.

4.2.3 ANFITEATRO 4 No anfiteatro 4 foi instalado um sistema de regulação da iluminação interior, da intensidade do projetor e de

controlo do sistema AVAC, auxiliado por sensores de ocupação, CO2 e humidade, representados na Figura 4.5.

Estes sistemas são controlados através de um interface instalado no espaço com três cenários pré-definidos e

ajustável através uma plataforma online acessível a professores e estudantes. Desta forma espera-se que os

ocupantes do anfiteatro cooperem de forma a alcançar um equilíbrio entre as condições de conforto interior

pré-programadas e as pretendidas e assim otimizar o sistema de controlo. Desta forma pretende-se demonstrar

também que as tecnologias de informação não só permitem o controlo direto das condições de conforto

interiores como também propiciam uma alteração de comportamento dos seus ocupantes, alterando as

necessidades de conforto interior de individuais para coletivas.

85

Figura 4.5 – Interface de controlo de iluminação e sistema AVAC (baixo) e sensor de ocupação (cima).

4.2.4 SALA DE COMPUTADORES A sala de computadores foi equipada com sensores de luminosidade e ocupação, tomadas inteligentes,

atuadores sobre os sistemas de sombreamento e um interface de controlo com vários cenários de iluminação,

apresentados nas Figuras 4.6 e 4.7. Fazendo uso dos sensores e atuadores é feito o controlo da iluminação

natural com base nas condições de luminosidade interiores e ocupação da sala, ajustando o sistema de

sombreamento para o maior aproveitamento das condições de luminosidade exteriores e compensado o défice

de luz natural com a iluminação interior artificial, quando necessário.

Figura 4.6 – Interface de controlo com vários cenários de iluminação (esquerda), sistema de sombreamento com atuador

(centro) e multisensor de luminosidade e ocupação (direita).

Figura 4.7 – Equipamentos ligados a tomadas inteligentes (esquerda) e módulo de controlo e monitorização das tomadas

inteligentes.

Aliado a este sistema existem ainda as tomadas inteligentes aos quais estão ligados todos os equipamentos da

sala, nomeadamente computadores e projetor. Estas tomadas têm a capacidade de serem controladas

86

remotamente e de detetarem valores de correntes de baixa tensão normalmente associados a consumos de

equipamentos em standby desligando automaticamente e eliminando o desperdício.

4.2.5 NÚCLEO 14 O núcleo 14 para além de ser a central de monitorização e controlo das várias áreas de teste foi também

equipado com sensores de humidade, temperatura e CO2 nos escritórios, de movimento nos corredores de

acesso, interfaces de controlo dos sistemas de AVAC nos vários escritórios individuais, designados de termostatos

inteligentes com um algoritmo de otimização desenvolvido pelo próprio MIT e módulos de controlo dos sistemas

de AVAC e da iluminação nos corredores, como representados na Figura 4.8.

Figura 4.8 – Núcleo 14 sede do MIT (esquerda), interface de controlo do sistema AVAC (centro) e sensores de movimento

de controlo de iluminação nos corredores (direita).

Os sensores de movimento instalados nos corredores estão ligados diretamente ao controlador da iluminação

deste espaço, ativando a iluminação sempre que detetam um ocupante e desativando apos um intervalo de

tempo pré-determinado. Os vários interfaces de controlo do sistema AVAC alocados nos escritórios do núcleo 14

estão sincronizados com uma plataforma web que possui um algoritmo que aprende conforme as necessidades

de conforto interior dos seus ocupantes se vão alterando. Após a definição de três cenários de conforto interior,

os ocupantes, por vezes mais do que um por escritório, vão ajustando os valores de temperatura e ventilação

conforme as suas necessidades diárias. O algoritmo por sua vez “aprende” com estes pequenos ajustes e otimiza

os três cenários previamente definidos para que atinjam as necessidades de conforto interior dos seus ocupantes

a todas as horas do dia. Aqui pretende-se mais uma vez demonstrar que, não só as tecnologias de informação

permitem o controlo adequado do ambiente interior de edifícios como também contribuem para uma alteração

de comportamentos dos seus ocupantes para um quotidiano energeticamente mais eficiente e confortável.

4.2.6 LABORATÓRIO DE ENERGIA O laboratório de energia foi a área designada para demonstrar todas as tecnologias que iriam ser implementadas

nas várias áreas de teste. Equipada com sensores de temperatura, luminosidade, ocupação e Luminosidade,

permite a monitorização em tempo real das condições interiores da área com visualização de dados em tempo

real num interface. O mesmo interface serve de controlo ao sistema de iluminação, sistema AVAC e atuadores

do sistema de sombreamento podendo serem definidos vários perfis de conforto interior associados a diferentes

ocupantes. Fora do âmbito do Smart Campus foi também instalado um sistema de segurança de abertura e fecho

da porta de acesso, acessível através de uma aplicação para dispositivos moveis. Esta área não foi sujeita a

estudos de poupança energética servindo apenas para a calibração e teste dos vários equipamentos adquiridos.

87

4.2.7 RESULTADOS Após uma fase inicial de seis meses de teste experimental onde todos os sistemas já se encontravam

implementados foi possível retirar conclusões quando ao potencial de poupança de energia que estas

tecnologias podem trazer a edifícios comerciais de grande dimensão, onde a ocupação diferenciada de áreas do

edifico tem um impacto significativo na eficiência global energética do mesmo.

Através da análise do custo total de compra de equipamentos e sua instalação, bem como do consumo mensal

das várias áreas de teste antes e depois da introdução dos sistemas descritos foi possível estimar uma poupança

energética anual para cada uma das áreas bem como o período de retorno em anos de cada investimento. Este

tipo de análise permite também correlacionar as tecnologias e sistemas que são mais eficazes para tornar o

edifício globalmente mais eficiente e que se revelam investimentos mais proveitosos, como se revela na Tabela

4.3.

Tabela 4.3 – Análise de percentagem de poupança energética anual estimada para as áreas de teste e o respetivo período

de retorno do investimento. (Kippo e Koivumaa 2014)

LOCALIZAÇÃO CUSTO

TOTAL

CONSUMO COM

NOVOS SISTEMAS

(kWh)

% POUPANÇA

ANUAL

PERÍODO DE

RETORNO

(ANOS)

Núcleo 14: Gestão inteligente dos sistemas de AVAC nos escritórios, de iluminação nos corredores, recorrendo a preferências dos ocupantes e monitorização de condições de conforto interiores.

11.376,00 € 2.149 38% >15

Anfiteatro 4: Gestão automática de cenários de iluminação e brilho do projetor e definição cooperativa dos cenários do sistema AVAC.

8.627,29 € 3.965 46% 12

Biblioteca central: Controlo automático e inteligente das condições de iluminação baseadas em sensores de luminosidade.

6.959,76 € 54.790 10% 9

Sala de computadores: Controlo automático e inteligente dos sistemas de iluminação e AVAC, baseados nas condições interiores de luminosidade e ocupação; e eliminação do consumo de equipamentos em standby.

1.486,97 € 2.682 10% 14

A análise da Tabela 4.3 permite avaliar os sistemas mais eficientes instalados neste projeto. A gestão inteligente

dos sistemas AVAC tem um impacto muito significativo na poupança energética alcançada. Tratando-se de

equipamentos com grandes consumos, a sua otimização através das medições obtidas pelos vários sensores, de

algoritmos que “aprendem” e principalmente através da interação com os ocupantes torna-se um ponto fulcral

nesta abordagem inteligente à gestão de equipamentos como é visível no núcleo 14 e no anfiteatro 4. Aliado ao

controlo automatizado da iluminação estas estratégias de redução do consumo energético revelam-se uma boa

88

solução para espaços com ocupações diferenciadas ao longo do dia, pecando apenas no valor alto de

investimento de que necessitam, o que se traduz em períodos de retorno entre os 12 e 18 anos.

A biblioteca central e a sala de computadores demonstram que, com um investimento relativamente baixo, para

a área destes espaços e sua ocupação, centrado nas gestão da relação entre iluminação artificial e natural e

eliminação de consumo desnecessário de equipamentos, caso do sistema AVAC e computadores, é possível

alcançar uma poupança energética anual significativa. O período de retorno do investimento nestes dois espaços

é discrepante devido ao facto de o consumo energético ser muito elevado na biblioteca central, ao contrário da

sala de computadores.

Finalmente quanto a importância da interação dos ocupantes com as tecnologias implementadas,

nomeadamente através dos vários interfaces implantados nestas áreas e das aplicações desenvolvidas para

dispositivos móveis e acesso online, denota-se que nas áreas onde foi mais requerida (núcleo 14 e anfiteatro 4)

revelou-se fundamental no desempenho superior a nível de poupança energética. Os gestores deste projeto

instalado no campus do Taguspark são da convicção de que cerca de metade da poupança energética alcançada

nestes dois espaços advém diretamente da interação cooperativa ou singular dos ocupantes com os sistemas

instalados, dando um sinal muito positivo do sucesso da estratégia adotada (Pombeiro e Silva, 2014).

Esta interação visa também promover alteração de comportamentos de alunos, professores e staff através da

visualização pública e interativa, em vários pontos do campus, dos níveis de poupança energética alcançados

bem como os níveis de conforto interior em tempo real. Aguarda-se assim pelo final da fase de testes para

denotar se estes objetivos são alcançados da maneira desejada mostrando, até a data, resultados promissores

(Gomes et al., 2013; Pombeiro e Silva, 2014).

HOSPITAL DE CASCAIS O recente Hospital de Cascais concluído em 2010 é composto por um edifício principal no qual se integram

serviços hospitalares, zonas sociais, zonas de serviço e áreas técnicas. O edifício central é constituído por 7 pisos

acima do solo que integram os vários serviços do hospital. Com uma área de construção de 45.863m² e uma área

útil total de 28.332m², este hospital tem capacidade para 272 camas distribuídas por 139 quartos, acrescido de

6 blocos operatórios e 8 salas de parto, com um custo global de 107 milhões de euros.

O ponto de interesse deste edifício hospitalar reside no planeamento, na fase de conceção e execução, do

sistema AVAC e sua manutenção e do sistema de monitorização de equipamentos e consumo energético, bem

como a criação de um piso técnico no 4º andar. A consulta dos dados de consumo energético e a visita técnica

feita ao edificio, permitiram avaliar o desempenho e aplicabilidade das soluções implementadas. A

implementação dos serviços nos vários pisos do edifício principal foi desenhada para concentrar todos os serviços

críticos num só andar:

Piso 0: Serviços de Apoio

Piso 1: Serviços Técnicos e Gerais de Funcionamento

Piso 2: Entrada do Edifício. Serviços clínicos básicos ou de primeira linha

89

Piso 3: Serviços críticos

Piso 4: Piso Técnico

Pisos 5 a 7: Serviços de Internamento

Figura 4.9 – Edifício Hospital de Cascais (Grupo Teixeira Duarte, 2014)

4.3.1 PISO TÉCNICO Os edifícios hospitalares apresentam requisitos térmicos e de qualidade do ar interior altos, ao que

correspondem equipamentos de filtragem de ar aliados a um sistema de distribuição dispendioso e exigentes de

manutenção frequente. Para atingir níveis de eficiência altos nos sistemas AVAC, a construtura Teixeira Duarte

implementou a solução de instalar no 4º piso do edifício principal os equipamentos de filtragem do ar e condutas

de distribuição designado de piso técnico. Esta solução é altamente vantajosa para o dono do edifício e para

quem faz manutenção, embora tenha um peso considerável no projeto. Por norma, as áreas técnicas são

concebidas com áreas pequenas no exterior do edifício para não pesarem nos custos de execução.

Dadas as necessidades especiais dos blocos operatórios, salas de cuidados intensivos e Maternidades no que

toca a exigências térmicas e qualidade do ar interior, visíveis na Tabela 4.4, todos inseridos no 3º piso, são

necessárias unidades de tratamento de ar, ou UTA’s, afetas estes serviços e condutas de ventilação que garantam

permanentemente estas condições de conforto interiores nestas salas. Sendo que 60 das 66 UTA’s instaladas

neste edifício servem apenas salas do 3º piso, minimizam-se os desenvolvimentos de condutas e tubagens e

facilita-se a manutenção e substituição de filtros.

Tabela 4.4 – Necessidades de conforto interiores dos serviços no 3º piso

LOCAL TEMPERATURA (°C) HUMIDADE RELATIVA

(%)

FILTRAGEM DO AR (CLASSE DOS

FILTROS)

Salas de operações 20 60 EU5, EU7, EU9, EU14

Unidade de cuidados

Intensivos 24 50 EU12

Sala de recobro 24 50 EU12

Salas de exames especiais 25 40 a 50 EU5, EU7, EU9, EU12

Maternidade 25 40 a 50 EU14

90

Esta solução visa principalmente servir o 3º piso, que possui uma boa percentagem de máquinas associadas,

minimizando os comprimentos de condutas e tubagens que seriam muito superiores caso as UTA’s se

localizassem na cobertura, cave ou em compartimentos exíguos como é comum.

O facto deste piso técnico se situar no 4º piso do edifício principal contribui também para uma mais eficiente

manutenção dos equipamentos e maior durabilidade do sistema AVAC. Desta forma torna-se possível executar

a manutenção de varias máquinas do mesmo tipo no mesmo espaço, existindo uma área útil considerável para

manobras de manutenção, não estando estes trabalhos sujeitos a condições climatéricas exteriores.

Figura 4.10 – Tubagens e condutas de ventilação (esquerda), unidades de tratamento de ar (UTA’s) e filtros associados

(centro) e palas de sombreamento na fachada sul (direita)

Assegura-se também a durabilidade dos equipamentos AVAC e UTA’s protegendo-os dos intensos dias de calor

e intempéries, prolongando-lhes o ciclo de vida, e pré-filtrando o ar presente no piso técnico por forma a não

sobrecarregar os filtros das UTA’s. Este último objetivo é alcançado utilizando a fachada norte como área de

admissão de ar, equipada com uma grelha forrada com filtrina. Assim o ar no Piso Técnico é pré filtrado antes da

sua insuflação para o piso técnico desgastando os filtros das UTA’s substancialmente menos. Este facto torna a

situação economicamente vantajosa uma vez que os filtros interiores são mais dispendiosos que a filtrina da

fachada.

4.3.2 MEDIDAS PASSIVAS E ATIVAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Aliado à introdução inovadora de um piso técnico no edifício principal, procuraram-se aplicar medidas passivas

e ativas de eficiência energética para atingir os objetivos de conforto interior das várias salas, gabinetes e serviços

do hospital.

No âmbito das medidas passivas apresentam-se os isolamentos exteriores de poliuretano projectado com

revestimento Alucobond, isentos de CFC e HCFC, que garantem uma inercia térmica elevada e exploram a

transferências de calor através da exposição de massa térmica das lajes e paredes, vãos envidraçados amplos

nas fachadas sul e este para aproveitamento da iluminação natural e aquecimento solar passivo e palas de

sombreamento na fachada sul para minimização dos ganhos térmicos solares diretos.

No âmbito de medidas ativas foram instalados sistemas de tratamento de ar novo que aproveitam o ar de

exaustão do edifício para recuperação de calor e sistemas integrados de gestão de energia e manutenção de

equipamentos.

91

4.3.3 SISTEMA DE GESTÃO DE MANUTENÇÃO A manutenção dos equipamentos é feita em duas vertentes: a manutenção preventiva, que garante o

funcionamento dos vários equipamentos nas melhores condições e com altos níveis e eficiência, e a manutenção

corretiva, que garante que os equipamentos são alvo de intervenções técnicas quando não apresentam o

desempenho desejado ou quando avariam. Num edifício hospitalar os equipamentos são essenciais para o seu

bom funcionamento visto serem afetos a todos os serviços prestados, pelo que a sua manutenção torna-se uma

atividade diária e requer uma monitorização constante. Para tal, foi implementado um sistema de gestão de

manutenção que se baseia num software de gestão central Glose EAM, terminais portáteis de leitura de códigos

de barras, ou PALM’s, com comunicação sem fios e um sistema de codificação de equipamentos e localizações.

Estes últimos dois sistemas têm uma grande dependência de tecnologias de informação e permitem ao gestor

do edifício otimizar o funcionamento de todos os equipamentos bem como monitorizar o consumo energético

de todo o edifício. Estas medidas permitem a otimização das instalações tendo em conta a minimização dos

consumos energéticos, o bom funcionamento dos equipamentos / sistemas, a otimização contínua de custos e

auxiliam na implementação de soluções que permitam minimizar custos.

Figura 4.11 – Sistema de gestão de manutenção (esquerda), PALMs (centro) e sistema de identificação e localização de

equipamentos (Grupo Teixeira Duarte 2014)

Os PALM’s são dispositivos móveis ligados à rede central do edifício por ligação sem fios que permitem aos

técnicos de manutenção um acesso direto à calendarização das inspeções técnicas necessárias durante a semana

e a alertas de avarias que necessitem de reparação urgente. Estão também equipados com leitores de códigos

de barras que são utilizados na identificação e localização dos vários equipamentos do edifício. Desta forma, o

PALM funciona como uma ferramenta de comunicação eficiente entre os técnicos de manutenção e a equipa de

gestão que permite diminuir drasticamente o tempo de resposta a avarias de equipamentos e também como

uma ferramenta de controlo de qualidade dos equipamentos, pois possibilita o registo do histórico de inspeções

e de avarias técnicas em cada equipamento.

O sistema de codificação de equipamentos e localizações consiste na etiquetagem de todos os equipamentos

com códigos de barras previamente gerados pelo software. Desta forma cada equipamento é identificado por

um código específico e único, ao qual estão associadas todas as informações relevantes para a sua correta

manutenção, passível de ser lido pelos PALM’s dos técnicos de manutenção.

92

O software Glose EAMI é utilizado para gerir as intervenções de manutenção das instalações e equipamentos,

permitindo aumentar a disponibilidade dos equipamentos e otimizando os custos de manutenção. O software

recorre ao registo de pedidos de manutenção em cada serviço, registo automático de tempos de resposta e

histórico de intervenções para permitir uma otimização de recursos (pessoas e equipamentos), agendamento de

manutenções preventivas e controlo eficaz de custos.

Figura 4.12 - Sistema de manutenção preventiva (esquerda) e corretiva (direita) e intervenções de manutenção preventiva

num dos sistemas AVAC (centro) (Ministério da saude, 2008)

Na prática, isto traduz-se na definição de percursos de inspeção de acordo com as competências dos técnicos e

num plano semanal de manutenção acessível nos PALM’s no qual consiste o sistema de manutenção preventiva,

e na receção de alertas de avarias e mal funcionamentos que são depois encaminhados diretamente para os

PALM’s dos técnicos competentes.

Figura 4.13 – Número de Horas de manutenção corretiva vezes homem por especialidade no ano de 2012 (Grupo Teixeira

Duarte 2014)

Recorrendo aos dados recolhidos o software possibilita então uma análise estatística capaz de avaliar o

desempenho dos vários recursos humanos e materiais à disposição do sistema de manutenção. Indicadores de

desempenho como a análise estatística de horas-homem, custos, número de intervenções por especialidade/

equipamentos/ serviço e pedidos de trabalho entre outros, permitem ao gestor do edifício uma compreensão

93

rigorosa do comportamento da instalação e dos recursos utilizados, e funcionam como uma ferramenta de apoio

a decisão na otimização da instalação e dos recursos, numa perspetivo de curto, médio e longo prazo.

4.3.4 SISTEMA DE GESTÃO DE CONSUMOS ENERGÉTICOS A especificidade de um edifício hospitalar com muitos equipamentos técnicos que apresentam elevados

consumos elétricos, acrescidos de sistemas AVAC complexos e com grandes exigências funcionais, torna-se quase

indispensável ter uma ferramenta que permita monitorizar o consumo energético do edifício, discriminando

entre consumo de água, gás e eletricidade. Para tal foram instalados contadores inteligentes elétricos em todo

o edifício que permitem uma monitorização dos consumos energéticos discriminados entre sistemas de

aquecimento/arrefecimento, sistemas AVAC e equipamentos técnicos. Adicionalmente são instalados

contadores inteligentes de água e Gás com uma capacidade de monitorização inferior que apenas registam os

consumos mensais totais do edifício.

4.3.5 RESULTADOS A implementação dos equipamentos de monitorização de eletricidade, nomeadamente os contadores

inteligentes de eletricidade, apenas foi feita em larga escala no início do ano 2014. Infelizmente os dados

disponíveis para os consumos diferenciados do edifício estão apenas disponíveis para este ano e não perfazem

um ciclo de 12 meses que seria interessante de analisar.

Figura 4.14 - Consumo de eletricidade total do edifício entre 2011 e 2014 (Grupo Teixeira Duarte, 2014)

Independentemente deste facto, os medidores já instalados forneciam dados mensais de consumo elétrico

fiáveis. Pela Figura 4.14 é percetível a preocupação da diminuição do consumo de eletricidade desde a abertura

do hospital em 2011, essencial para atingir o objetivo de eficiência energética pretendido. A tendência

decrescente foi apenas perturbada nos meses quentes do ano de 2013, provavelmente devido às condições

climatéricas de muito calor e pouca humidade.

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

900.000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov DezEletricidade [kWh] - 2011 Eletricidade [kWh] - 2012

Eletricidade [kWh] - 2013 Eletricidade [kWh] - 2014

kWh

94

A implementação do sistema de manutenção tem impacto nesta melhoria de performance energética. O sistema

AVAC e o Sistema de aquecimento são compostos pelos equipamentos que maior consumo de eletricidade

apresentam e portanto, a sua manutenção preventiva eficiente faz com que estes equipamentos funcionem com

altos níveis de desempenho e eficiência energética. A deteção de ineficiências em qualquer um destes sistemas

é prontamente reparada através da manutenção corretiva ou substituição do equipamento, como se pode ver

na Figura 4.13, onde estes sistemas aparecem na 3ª e 5ª posição de maior frequência de manutenção, num

edifício onde os equipamentos técnicos de saúde são a prioridade, representados por “instalações elétricas”. A

implementação do piso técnico contribui assim para uma melhoria significativa nas condições de exploração e

manutenção dos sistemas AVAC bem como para a eficiência global do edifício, promovendo a durabilidade e

eficiência destes equipamentos.

Tabela 4.5 – Controlo de consumo elétrico utilizando os contadores inteligentes (Grupo Teixeira Duarte 2014)

Consumo elétrico do hospital de

cascais 2014

Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho

Fatura Endesa (kWh) 600237 526491 603198 568269 603197 584887

Transformadores (kWh) 590169 499749 591922 558097 595586 578759

Perdas (%) 1,7% 5,1% 1,9% 1,8% 1,3% 1,0%

Total Pisos Identificado (kWh) 494170 438576 487506 517803 485085 460099

Consumos não monitorizados (%) 16,3% 12,2% 17,6% 7,2% 18,6% 20,5%

AVAC (kWh) 239940 208271 236086 274753 235305 230618

Iluminação + Equipamentos (kWh) 350229 291478 355836 283343 360280 348141

A instalação destes contadores possibilita o controlo eficiente dos gastos do edifício. Utilizando como meio de

comparação a fatura mensal de eletricidade é possível perceber se existem perdas ou consumos não

monitorizados, como demonstrado na Tabela 4.5. Estes valores permitem perceber a localização de

equipamentos ou instalações elétricas que não estejam a funcionar como pretendido e efetuar a respetiva

manutenção ao mesmo tempo que permitem otimizar o sistema de monitorização, até não existirem consumos

não monitorizados.

O facto deste sistema de monitorização permitir diferenciar entre as várias salas, serviços e equipamentos que

utilizam corrente elétrica permite que sejam monitorizados os sistemas com mais consumo e que mais influência

têm no consumo energético do edifício, Figura 4.15. Complementarmente torna-se possível monitorizar um total

de 171 espaços e equipamentos diariamente, o que permite a deteção quase imediata de avarias e ineficiências

e também auxilia na procura de soluções que beneficiem ainda mais a eficiência energética do edifício.

Esta monitorização torna-se essencial se for tido em consideração que o Hospital ficou em ultimo lugar no ranking

de eficiência energética de Lisboa e vale do tejo em 2012. O estudo do sistema nacional de saúde teve em conta

a variação de consumos de energia ativa (eletricidade e gás) entre 2011 e 2012 verificando que este Hospital

registou uma subida de 3,6% e elaborou um ranking de eficiência energética com base no número de doentes,

95

gerando o indicador de produção, na Figura 4.16, e com base na área útil dos hospitais, gerando o indicador de

dimensão, na Figura 4.17.

Figura 4.15 – Consumo de eletricidade em 2013 repartido por tipo de utilização (Grupo Teixeira Duarte 2014)

Na altura desta avaliação o hospital de cascais foi considerado 48% mais ineficiente que a média dos hospitais

de Lisboa e Vale do tejo, e foi recomendada uma diminuição do consumo energético do edifício através da

instalação de equipamentos mais eficientes e soluções globais energeticamente mais eficientes, no que

resultaria numa poupança anual de cerca de 469.755€.

Juntamente com este hospital encontra-se o recentemente construído Hospital de Loures. O mau desempenho

energético destes edifícios no ranking do SNS é possível de explicar pelo facto dos indicadores descritos não

considerarem as características das instalações e equipamentos em cada hospital. Estes dois últimos hospitais

foram equipados com sistemas AVAC, de aquecimento central e de tratamento do ar de última geração que

permitem obter níveis de qualidade interior elevados a custo de consumos elevados de eletricidade e gás.

Importa salientar que desde 2012 que o consumo elétrico do edifício hospitalar têm vindo a decrescer

verificando-se uma redução na ordem dos 5%. Aliado a uma estratégia de ventilação natural das áreas comuns,

a um melhor aproveitamento dos ganhos solares no inverno e a regulação da iluminação artificial nas zonas de

menor utilização, acredita-se ser possível a recuperar posições no ranking e atingir o objetivo proposto de

redução de consumos energéticos em 15% tornando o hospital energeticamente mais eficiente (Ministério da

saude 2008; Administração central do Sistema de saude 2013a; Administração central do Sistema de saude

2013b; Grupo Teixeira Duarte 2014).

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

AVAC(UTAs/Bombas/Chillers) - 2013 Consumo Geral - 2013

Iluminação + Equipamentos -2013

kWh

96

Figura 4.16 – Indicador de Produção dos Hospitais do grupo 3 [Kgep/m2] (Administração Central do Sistema de saude

2013a)

Figura 4.17 - Indicador de dimensão dos Hospitais do grupo 3 [Kgep/doente padrão] (Administração Central do Sistema de

saude 2013b)

EDIFÍCIO SOLAR XXI O Edifício Solar XXI tem características de um edifício comercial energeticamente eficiente. Trata-se de um

edifício de demonstração em que os conceitos de tecnologias renováveis foram integrados ainda na fase de

conceção, procurando promover a utilização de materiais, técnicas e tecnologias de baixo consumo energético,

aliando um conjunto de sistemas solares passivos e ativos integrados na sua arquitetura.

Este edifício está insere-se na zona de lisboa, um clima temperado, e ocupa uma área de 1500 m2 com um custo

total de construção de 1,2 milhões de euros.

Neste edifício foram adotadas medidas construtivas que influenciam largamente as condições de conforto

térmico interiores, nomeadamente, isolamento térmico exterior, vãos envidraçados orientados a sul e com

proteção da radiação solar, uma estratégia de ventilação natural com um sistema de tubos enterrados e painéis

fotovoltaicos instalados na fachada principal. Esta última característica garante que cerca de 80% dos consumos

energéticos consumidos têm origem renovável, no entanto, tem pouco interesse para esta dissertação pelo que

não lhe será dada muito relevo.

97

Figura 4.18 – Edifício solar XXI. (Joyce, 2009)

A nível de isolamento térmico a envolvente do edifício e composta por paredes simples de alvenaria de tijolo de

22 centímetros, revestidas exteriormente por 6 centímetros de polistireno expandido, ao que corresponde um

coeficiente de transmissão térmica de U=0,45 W/(m2.K). A laje de cobertura é igualmente isolada exteriormente

com 5 centímetros de polistireno expandido mais 5 centímetros de polistireno extrudido que se traduz num

coeficiente de transmissão térmica de U=0,26 W/(m2.K), bem como a laje de fundação com 10 centímetros do

mesmo revestimento, conferindo-lhe um coeficiente de transmissão térmica de U=0,55 W/(m2.K). Este tipo de

isolamento permite corrigir as pontes térmicas planas e minimizar as perdas térmicas do edifício durante o

período de Inverno. Ao ser colocado pelo exterior, o isolamento torna-se mais eficiente uma vez que, no período

de Inverno, a “massa inercial” é mantida no interior do edifício conservando-o “mais quente” e, no Verão,

constitui uma primeira barreira ao calor exterior. Os vãos envidraçados são constituídos por vidro duplo incolor

com caixilhos de alumínio com um valor de U=4,5 W/(m2K), complementados por um sistema de sombreamento

de estores exteriores de laminas reguláveis na fachada sul. Estes estores são elementos fundamentais na

estratégia energética do edifício permitindo ao ocupante, por serem reguláveis e orientáveis, adequar a entrada

de radiação solar e de luz no seu espaço de trabalho. Ao serem aplicados pelo exterior, constituem uma medida

fundamental para o período de Verão, uma vez que minimizam a incidência solar direta nos vãos e, portanto, do

aquecimento do ar no interior do edifício.

Figura 4.19 – Execução da estrutura e isolamentos do edifício Solar XXI (Aelenei e Rodrigues, 2006)

4.4.1 VENTILAÇÃO NATURAL A estratégia de ventilação natural centra-se em dois tipos de ventilação: ventilação transversal ou cruzada nas

salas e ventilação por efeito de chaminé no poço central do edifício. A ventilação transversal é assegurada pelo

98

posicionamento das aberturas na direção dos ventos predominantes e o efeito de chaminé pelas diferenças na

temperatura do ar entre o piso semienterrado e o piso superior de cerca 5 °C, mais acentuadas no verão.

Figura 4.20 – Entrada e saída de ar existentes atras da fachada com sistema de sombreamento e painéis fotovoltaicos

[W27]

A utilização de aberturas nas diferentes fachadas possibilitam uma ventilação transversal (norte-sul ou sul-norte)

personalizada das salas e do edifício completo enquanto a ventilação por efeito de chaminé é assegurada por

aberturas reguláveis existentes sobre todas as portas que ligam as salas ao corredor e ao poço central, onde

existem também aberturas motorizadas. Fazendo uso do poço central, das escadas de distribuição do edifício e

de uma claraboia de “desenfumagem” motorizada é garantido um fluxo de ar constante que permite não só

manter um nível alto de qualidade do ar interior como também controlar os ganhos térmicos do edifício no

verão. Fazendo uso destes sistemas de dia e principalmente de noite (ventilação noturna) é possível arrefecer o

edifício no verão, fazendo uso das temperaturas exteriores noturnas, quando o edifício não se encontra ocupado.

Os painéis fotovoltaicos tem um papel importante nesta estratégia de ventilação natural e controlo térmico do

edifício. Para além de serem uma fonte de energia renovável, produzem também calor quando estão em

funcionamento.

Assim no verão é importante extrair este calor produzido, que aquece a conduta existente entre os painéis e a

fachada, utilizando duas aberturas comunicantes com o exterior que fechadas promovem a circulação do ar na

conduta e evitam a sua penetração para dentro do edifício. Caso seja necessário é possível também aproveitar

o efeito de chaminé existente dentro da conduta para a evacuação do ar quente do interior da sala e consequente

entrada de ar mais frio para a sala proveniente do lado norte do edifício.

No inverno este sistema é utilizado para aproveitar o calor gerado na face interior dos módulos fotovoltaicos e

contribuir para o aquecimento do ar interior nos gabinetes e espaços contíguos. Nos meses de meia estação o

sistema funciona como um sistema de pré-aquecimento do ar novo, no qual se admite o ar do exterior por

intermédio da abertura exterior inferior, o qual depois de aquecido na conduta é insuflado diretamente no

interior da sala, por convecção natural através da abertura superior interior.

99

Figura 4.21 – Funcionamento do sistema de ventilação natural de fachada no verão (esquerda) e na primavera e inverno

(direita) (Aelenei e Rodrigues, 2006)

4.4.2 SISTEMA DE ARREFECIMENTO PASSIVO POR TUBOS ENTERRADOS.

Paralelamente está instalado um sistema de arrefecimento passivo por tubos enterrados. Este sistema consiste

no arrefecimento do interior do edifício, utilizando admissão de ar exterior através de tubos de manilhas de

cimento de 30 centímetros de diâmetro enterrados a uma profundidade de 4,6 metros. Estes 36 tubos

enterrados funcionam como um “permutador de calor” que, à passagem do ar quente do exterior, promovem

uma transferência de calor do ar com uma fonte fria, o solo. O ar entra no edifício por convecção natural ou

forçada com assistência de ventiladores. O material utilizado apresenta uma grande condutibilidade térmica o

que potencia as trocas de calor e a admissão do ar é feita através de um poço de alimentação que se situa a 15

metros de distância do edifício.

Figura 4.22 – Funcionamento do sistema de arrefecimento de tubos enterrados (Aelenei e Rodrigues, 2006)

Estes tubos acedem ao edifício pelo piso semienterrado, recorrendo a tubagem plástica em PVC, continuando

para o interior por meio de tubagem metálica. A distribuição do ar e feita diretamente e individualmente para

as salas dos pisos térreo e superior, podendo ser controlada pelos ocupantes através de válvulas de abertura e

fecho. Atinge-se uma maior eficiência quando esta distribuição é efetuada a meio da tarde, altura em que o ar

frio promove um arrefecimento do edifício compensando o aumento da temperatura interior. Este sistema é

complementado pela estratégia de ventilação natural acima descrita e depende do comportamento térmico

global do edifício e do comportamento dos seus ocupantes.

100

Figura 4.23 – Execução do sistema de tubos enterrados (esquerda), entrada de ar do sistema (centro) e ventoinhas de

ventilação assistida nas várias salas (direita) [W28]

A temperatura do solo apresenta apenas uma variação sazonal, variando entre os 16 °C no início do verão e os

19 °C no final do verão. A admissão de ar para dentro do edifício através deste sistema pode ser mecanicamente

assistida através de ventoinhas individuais instaladas em cada sala. É assim promovido um arrefecimento

individual de cada sala da ordem dos 2 a 3 °C sem ação da ventoinha e de 5 a 10 °C com a ação da ventoinha.

4.4.3 ILUMINAÇÃO NATURAL

Figura 4.24 – Poço central e superfícies translucidas nas portas (esquerda), claraboia de iluminação e ventilação natural

(centro) e estratégia de iluminação natural no verão (direita cima) e no inverno (direita baixo) (Aelenei e Rodrigues, 2006)

A nível de iluminação natural, foi promovida uma estratégia eficiente de iluminação, recorrendo sobretudo a

iluminação natural durante os períodos diurnos de funcionamento, minimizando o recurso a iluminação artificial.

Para tal foram projetadas aberturas e vãos envidraçados que promovessem a entrada de luz natural: todas as

salas a Sul apresentam grandes áreas envidraçadas e as portas de comunicação com o corredor superfícies

translucidas que permitem o contacto com a zona central do edifício.

Existe também um poço de luz central com claraboias no topo que percorre verticalmente toda a zona central

do edifício, tornando-se um dos principais aspetos desta estratégia de iluminação natural. As salas a Norte

apresentam, para além das superfícies translucidas nas portas, superfícies translucidas nos vãos interiores, que

beneficiam também de uma parede cega exterior que funciona como um elemento refletor que proporciona

excelentes níveis de iluminação na fachada destas salas.

101

4.4.4 RESULTADOS Após a sua construção em 2006, este edifício tem sido alvo de monitorização constante relativamente a

parâmetros de conforto interior do edifício: qualidade do ar interior, conforto térmico e conforto dos ocupantes.

O edifício solar XXI integra estratégias e soluções eficientes que reduzem o consumo energético do edifício e

aproveitam a geração de energias renováveis. O edifício solar XXI apresenta um consumo energético global anual

de 43 kWh/m².ano o que demonstra um potencial de poupança energética na ordem de 48% em relação a um

edifício comercial de escritórios convencional devidamente isolado. Aliada a produção de energia de fontes

renováveis na ordem de 35,6 kWh/m².ano o edifício atinge o patamar de autossuficiência que lhe permite a

distinção de edifícios de balanço energético quase zero.

A aposta em soluções passivas de climatização e de iluminação natural traduz-se neste resultado muito positivo.

O aproveitamento de ganhos solares para aquecimento do edifício no inverno e o sistema de tubos enterrados

para arrefecimento no verão, aliados a uma estratégia de ventilação natural e integrada em todo o edifício,

permitem a mitigação quase total de consumos energéticos do edifício associados a aquecimento/arrefecimento

e ventilação, sendo apenas auxiliados por uma caldeira a gás e coletores solares que alimentam vários radiadores

espalhados pelas salas.

Este facto é comprovado pelas leituras de temperatura interior ao longo de 4 anos de monitorização do edifício.

Analisando os gráficos nas figuras 4.25 e 4.26 é possível perceber que a variação da temperatura do ar no interior

do edifício consegue manter-se a um nível aceitável sem apresentar as grandes flutuações de temperatura do ar

exterior.

Figura 4.25 – Dados de temperaturas interiores e exteriores e incidência solar nos meses frios (esquerda) e Dados de

temperaturas interiores e exteriores e incidência solar nos meses quentes (direita) (Aelenei et al., 2011)

Estas leituras de 2008 mantiveram-se consistentes com os restantes anos em que o edifício foi monitorizado,

podendo-se concluir que no período de inverno a temperatura do ar nos gabinetes localizados a Sul, quer no piso

térreo quer no piso superior manteve-se dentro dos requisitos aceitáveis de conforto térmico denotando que

apenas desceram abaixo dos 18 °C em raras situações, correspondente a menos de 5% do tempo de

monitorização. Tal desempenho positivo é justificado pelo aproveitamento dos ganhos solares através dos vãos

envidraçados, cerca de 46% da área de fachada, e pelo sistema de recuperação de calor existente nas fachadas

com painéis fotovoltaicos.

102

No período de verão, a elevada intensidade de radiação solar característica de Lisboa, poderia sobreaquecer o

edifício. No entanto a temperatura no interior do edifício só ultrapassou os 27 °C em raras situações,

correspondente a 5% do tempo de monitorização. Este desempenho minimizou a utilização do aquecimento a

gás e é justificado pelo controlo eficaz da entrada de ganhos solares diretos, através da regulação dos dispositivos

de sombreamento moveis e do sistema de arrefecimento de tubos enterrados aliado à estratégia de ventilação

natural.

Figura 4.26 – Concentração de CO2 no interior do edifício medida em 2 dias (Aelenei et al., 2011)

A qualidade do ar interior foi avaliada recorrendo a determinação da concentração de dióxido e carbono no

âmbito do projeto “Building Advanced Ventilation Technologies”, com medições diárias. As concentrações em

todas as salas não excederam os valores de 600 ppm (partículas por milhão) e na maioria das situações foram

inferiores a 500 ppm. Estes valores são muito inferiores aos máximos regulamentados, 984 ppm, e revelam uma

ventilação eficiente com ciclos de renovação de ar adequados. Aliado a estas medições foram inquiridos os 19

ocupantes do edifício dos quais 83% se manifestaram favoravelmente as condições de qualidade do ar interior.

Este caso de estudo serve para demonstrar que as estratégias passivas de ventilação,

aquecimento/arrefecimento e de iluminação podem beneficiar os edifícios quando aplicadas logo na fase de

conceção. Uma arquitetura que maximize os ganhos solares e que flexibilize os sistemas de sombreamento tem

um grande impacto na minimização de ganhos solares diretos e utilização de iluminação artificial. Os poços de

ar e estratégias inovadoras de ventilação natural dispensam a utilização de equipamentos de climatização, ou

AVAC, dispendiosos e com grandes consumos energéticos, tirando partido da ventilação cruzada, do efeito de

chaminé e da ventilação noturna.

A integração conjunta destas estratégias passivas beneficiam inegavelmente as condições de conforto térmico e

de qualidade do ar no interior do edifício aliado a uma elevada inercia térmica garantida pelos isolamentos

exteriores. Assim conclui-se que para um edifício devidamente isolado termicamente, a aplicação conjunta deste

tipo de medidas passivas potencia a eficiência energética e promove poupanças energéticas na ordem dos 50%

(Aelenei et al., 2011; Aelenei e Gonçalves, 2014; Aelenei e Rodrigues, 2006; Andrade, 2009; Gonçalves e Horta,

2005).

103

SURPLUS HOME A surPlus home trata-se de um edifício modelo, concebido e projetado para ser implementado no desafio Solar

Decathlon 2009, onde arrecadou o 1º prémio. Trata-se de um edifício de dois pisos com uma área útil de 128 m2,

representativo de um espaço unifamiliar com um custo total de construção estimado entre 50.500€ e 66.0000€.

A estrutura do edifício e composta por elementos pré-fabricados de madeira que compõem as paredes o

pavimento e os pilares e uma superestrutura metálica composta por vigas de suporte e travamento e aparelhos

de fixação. O edifício foi quase totalmente pré-fabricado na Alemanha sendo depois transportado e montado

nos Estados Unidos de onde voltou, passado uma semana, para a sua localização atual na universidade técnica

de Darmstadt.

A envolvente do edifício é composta por isolamento térmico altamente eficiente, paredes opacas e janelas. Para

evitar pontes térmicas, foram utilizados painéis de isolamento em vácuo nas paredes resistentes de madeira.

Para conseguir a redução de cargas de aquecimento e arrefecimento, foram utilizados materiais de mudança de

fase (PCM) colocados no interior de placas de gesso nas paredes e no interior do sistema de refrigeração no teto.

Embora a estrutura de madeira da envolvente do edifício se traduza numa inércia térmica fraca, foi possível

mitigar os picos de temperatura e permitir a utilização ventilação noturna para descarregar a energia térmica

armazenada durante o dia. A fachada e cobertura foram totalmente cobertas por módulos fotovoltaicos de

células CIS de película fina e de silício monocristalino, respetivamente, que conseguiram produzir cerca de 200%

da energia consumida pelo edifício, com rendimentos compreendidos entre 11% e 18%.

Figura 4.27 – O edifício SurPlus Home na Alemanha (esquerda) e planta do edifício (direita) (Darmstadt Echnische

Universitat, 2009)

Neste caso de estudo o interesse foca-se na utilização inovadora dos isolamentos de alta eficiência que são os

painéis de isolamento em vácuo e a utilização de materiais de mudança de fase, PCM, no controlo térmico das

condições interiores do edifício. A integração destas duas tecnologias é pouco comum e apresentam-se aqui

mutualmente benéficas para a eficiência energética global do edifício. Os painéis fotovoltaicos que cobrem a

fachada são um dos pontos fortes deste edifício modelo, no entanto não têm interesse para esta dissertação,

pelo que o seu estudo não será aprofundado.

104

Toda a fachada do edifício foi construída seguindo o princípio de telhas, com proteção contra humidade e

ventilação técnica, onde os vários módulos fotovoltaicos foram acoplados, sendo composta também por um

sistema de sombreamento e controlo de iluminação natural dos vãos envidraçados.

A cobertura plana funciona como uma quinta fachada, combinando a máxima uti lidade com a qualidade de

conceção. Para além de proteger o edifício da chuva e de temperaturas altas também integra um conjunto de 40

módulos fotovoltaicos de alta eficiência que contribuem para a micro geração de energia.

Os sistemas responsáveis pela eficiência energética deste edifício passam pelo isolamento de toda a envolvente

com painéis isolados a vácuo, ou VIP, pela utilização de um material de mudança de fase embutido em placas de

gesso na envolvente, ou PCM, pelo sistema de ventilação natural e pela utilização de sistemas de sombreamento

automatizados.

4.5.1 PCM O material de mudança de fase, ou PCM, foi utilizado nas paredes interiores de parafina com e no sistema de

ventilação instalado no teto sobre a forma de hidrato de sal com espessura de 15mm. Estes materiais instalados

atingem o ponto de fusão a uma temperatura de 23 ° C, podendo armazenar muito calor durante o dia, com

relativa pouca massa. A massa térmica é então descarregada pelo material de mudança de fase para o interior

do edifício à noite, quando as temperaturas baixam.

A capacidade instalada nas paredes interiores é equivalente à energia necessária para o arrefecimento do edifício

num dia. O PCM na parede interior não é controlável, porque é a superfície que limita interior do edifício das

fontes térmicas exteriores, sendo portanto um sistema passivo.

Tabela 4.6 – Características técnicas da placa de PCM utilizada (Darmstadt echnische Universitat, 2009)

MATERIAL ESPESSURA (MM) CALOR LATENTE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA

PCM Smartboard 15 330 kJ/m²

100 Wh/m²

0.20 W/(mK)

O PCM instalado no teto é um sistema parcialmente ativo, pois está integrado no sistema de ventilação e

separado da superfície interior do edifício, controlado por ventoinhas de ventilação. Desta forma torna-se

possível controlar a capacidade de arrefecimento do interior do edifício sempre que necessário.

105

Figura 4.28 – Localização dos módulos de PCM (esquerda) e sistema de ventilação com integração de módulos de PCM

(direita) (Darmstadt Echnische Universitat, 2009)

4.5.2 PAINÉIS DE ISOLAMENTO EM VÁCUO VIP O painel VIP é composto por uma placa de núcleo VIP revestido por 4 milímetros VARIOTEC-PUR (poliuretano

reciclado com densidade de 300 kg / m³) em ambas as faces, acrescidas de revestimento de alumínio de 0,3

milímetros. As placas são reforçadas com um lamelado de madeira em ambas as faces, o que permite não só um

aumento da resistência mecânica como evita que sejam perfurados. Esta configuração confere-lhe uma alta

resistência a impactos, grande capacidade de carga, e baixa condução térmica.

Tabela 4.7 – Características técnicas do painel de isolamento em vácuo utilizado (Darmstadt echnische Universitat, 2009)

MATERIAL ESPESSURA

(MM)

CONDUTIBILIDADE

TÉRMICA

RESISTENCIA MECÂNICA À

COMPRESSÃO

DIMENSÕES

(MM)

Painel VIP

estrutural

50 0,019 W/(mK) 200 kg / m 1250 x 3000

Estes painéis revestem toda a envolvente do edifício ficando integrados na estrutura de madeira. Desta forma,

o pavimento, cobertura e todas as fachadas ficam isoladas com um material altamente eficiente e com uma

espessura reduzida. Isto contribui para uma grande inercia térmica como também aumenta o espaço útil no

interior do edifício.

Figura 4.29 – Localização e execução dos painéis VIP na fachada este (esquerda) e na pormenor na cobertura (direita)

(Darmstadt Echnische Universitat, 2009)

106

Figura 4.30 – Núcleo do painel VIP (esquerda), Painel VIP integrado na fachada (centro) e execução da fachada oeste com

painéis de isolamento em vácuo (direita) (Darmstadt Echnische Universitat, 2009)

4.5.3 SISTEMA SOMBREAMENTO E ILUMINAÇÃO NATURAL Para este Sistema foi feita uma abordagem parcialmente ativa. Ao mesmo tempo que é promovida a iluminação

natural durante o dia através dos grandes vãos envidraçados no primeiro e segundo andar, são utilizados

dispositivos de sombreamento em duas formas: estores integrados em janelas e palas de sombreamento

automatizadas, representados na Figura 4.31.

As palas de sombreamento podem ser controladas através do sistema de automação implementado no edifício

e os seus atuadores são compostos por mecanismo alimentado por dois motores integrados na estrutura das

palas. Assim podem ser reajustados para a posição desejada ao longo do dia, podendo ser totalmente fechadas

garantido mais privacidade e minimizando os ganhos solares diretos em dias quentes. Adicionalmente estas palas

são revestidas por módulos fotovoltaicos na sua face exterior, o que não só contribui para micro geração de

energia, como também, devido a sua superfície altamente refletora ilumina a o interior do edifício.

Figura 4.31 – Localização do sistema de palas de sombreamento e de estores integrados nas janelas (esquerda), pormenor

de estores integrados nas janelas (centro) e funcionamento do sistema de palas de sombreamento (direita) (Darmstadt

Echnische Universitat, 2009)

As janelas que não estão cobertas com o sistema de sombreamento são equipados com estores integrados no

vidro. Estes estores podem ajustar-se à altitude solar podendo ser configurados pelos ocupantes individualmente

e estão instalados entre os dois vidros que compõe o vão envidraçado ou janela. A inclinação dos estores é

107

operado por um atuador motorizado e controlado pelo sistema de automação do edifício no decorrer do dia,

podendo a utilização de iluminação natural difusa em sias de sol sem perda de vista para o exterior e garantindo

uma minimização dos ganhos térmicos solares. Não estando exposta ao exterior, este tipo de estores não

necessita de ser recolhido quando as condições climatéricas se agravam, mantendo a eficiência do sistema de

sombreamento.

4.5.4 RESULTADOS A envolvente do edifício SurPlus Home combina aspetos passivos e ativos num só elemento construtivos. Em

termos de isolamentos todos os têm baixos valores de condutibilidade térmica (inferior a 0,1 W / m² K para as

paredes e inferior a 0,8 W / m² K para as janelas). Os painéis de isolamento em vácuo contribuem para a mitigação

das pontes térmicas da envolvente e o sistema de sombreamento torna-se um componente ativo da estratégia

de eficiência energética.

Figura 4.32 – Dados de medidores de temperatura nas várias salas do edifício numa semana quente de Outubro em 2009

(Darmstadt echnische Universitat, 2009)

Para condições de conforto interiores foram definidas as temperaturas compreendidas entre os 22 °C e os 24 °C.

Pela analise no período de uma semana através de sensores de luz e sensores de temperatura e humidade foi

possível perceber as necessidades térmicas de aquecimento e arrefecimento do edifico. Na Figura 4.32 pode-se

ver a caracterização de uma semana quente de outono.

Isto permitiu perceber que o sistema AVAC seria apenas necessário nos dias mais quentes de Verão onde o perigo

de sobreaquecimento do edifício se apresenta maior. Os dispositivos de sombreamento e a ventilação natural

noturna desempenham um papel fundamental nesta estratégia que deve ser potenciada pelo sistema de

automação do edifício.

Finalmente foi possível concluir apos extensa monitorização nos estados unidos e na Alemanha que o consumo

anual do edifício chegaria a 8145,6 kWh anualmente. Isto equivale a um consumo anual de 63,6 kWh/m2 que

representa uma poupança energética de 29% quando comparado com um edifício de escritórios, que ao ser

aliado a uma geração de cerca de 12.000 kWh anual torna este edifício completamente autossustentável e

energeticamente eficiente.

108

Percebe-se que a integração de uma fachada altamente isolada, VIPs, com um sistema de PCM que aguente as

necessidades de aquecimento e arrefecimento de pico de um edifício apresente uma grande eficiência. Embora

estes sistemas possam funcionar de forma independente a sua integração traz grandes benefícios ao

desempenho global. Aliados a uma boa estratégia de ventilação natural e de sombreamento que façam a gestão

da interação do ambiente interior com o exterior é possível atingir um alto nível de eficiência energética em

edifícios. A aplicação deste tipo de solução em edifício de dimensões superiores deve beneficiar a eficiência

energética global, pois passa a existir uma área de fachada menor, com vãos envidraçados concentrados nas

zonas de maior incidência solar, que possibilitam um melhor controlo das condições de conforto interiores (The

Solar Decathlon Partnership 2009; Hegger 2009; Darmstadt Echnische Universitat 2009).

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO Os casos de estudo analisados permitem quantificar sobretudo o impacto que certas soluções e tecnologias têm

na redução de consumo energético em edifícios. A integração de vários sistemas num só edifício permite também

avaliar a forma como interagem para melhorar a eficiência energética global do edifício. Na Tabela 4.8 estão

quantificados estes dois parâmetros de análise de acordo com as medições de consumos energéticos reais e com

os valores de transmissão térmica dos vários isolamentos utilizados. A redução do consumo energético foi

calculada pela através do consumo de energia por metro quadrado destes edifícios quando comparados com

edifícios correntes e o aumento da eficiência energética foi calculada comparando o desempenho dos sistemas

de isolamento, ventilação e iluminação inovadores com os sistemas convencionais utilizados em edifícios

correntes.

A aplicação de sistemas automáticos num edifício como o Instituto Superior Técnico, com taxas de ocupação de

espaços muito variáveis, revelou-se eficaz sobretudo no controlo da iluminação e dos sistemas AVAC. A

otimização da utilização destes dois sistemas reduziu o consumo energético do edifício e promoveu alterações

comportamentais dos seus ocupantes, permitindo atingir reduções de consumo entre 10% e 40%.

No Hospital de Cascais a utilização de um piso técnico flexibilizou o espaço interior do hospital e facilitou a

manutenção do sistema AVAC que, aliado a um sistema de gestão da manutenção informatizado, permitiu uma

redução de consumos energéticos de 5%.

A utilização de sistemas passivos de controlo térmico, iluminação e ventilação num edifício de escritórios, como

o solar XXI, permitiu atingir condições de conforto interior personalizadas e extremamente eficientes. Os

sistemas complementam-se na gestão das condições interiores e permitem um aumento da eficiência energética

do edifício de 53% aliado a uma redução de consumo energético na ordem dos 48%.

Finalmente, foi investigada a interação entre isolamentos em vácuo e materiais de mudança de fase. O PCM tem

a função de aumentar a inercia térmica do edifício e contribuir para as necessidades de

aquecimento/arrefecimento, não dispensando isolamento eficiente. Os painéis de isolamento em vácuo

garantem um isolamento térmico altamente eficiente, que aliado a uma gestão térmica das condições interiores

109

através do sistema de ventilação natural com PCM, promovem uma redução do consumo energético do edifício

de 29% e um aumento da eficiência energética de 49%.

Tabela 4.8 – Resumo dos resultados dos edifícios analisados nos casos de estudo

Caso de estudo Redução de consumo

energético (%)

Aumento da eficiência

energética (%) Sistemas integrados

Instituto

Superior

Técnico

10% – 40% 0% Iluminação e AVAC automatizados

Hospital de

cascais 5% 0%

Sistema de gestão de manutenção e

ventilação natural

Edifício Solar

XXI 48% 53%

Fachada ativa ABE, Iluminação e

ventilação natural

SurPlus Home 29% 49% Isolamentos VIP e PCM na cobertura e

no sistema de ventilação natural

Estes valores constituem a base para o próximo capítulo onde se vai proceder a avaliação e integração destas

soluções e tecnologias num edifício modelo de escritórios.

111

5. PROPOSTAS DE INTEGRAÇÃO

INTRODUÇÃO Neste capítulo pretende-se avaliar e quantificar os benefícios que as tecnologias e soluções construtivas

abordadas no terceiro capítulo podem oferecer à construção de edifícios. Para tal, é utilizado um edifício modelo

de ocupação mista, com escritórios e apartamentos residenciais, onde estas soluções são integradas e

comparadas com soluções convencionais, cumprindo os regulamentos nacionais de conforto térmico, qualidade

do ar interior e iluminação para o edifício. São então apresentadas três propostas de integração e avaliado o seu

desempenho, com o objetivo de encontrar a melhor solução construtiva com tecnologias inovadoras.

PROPOSTA DE INTEGRAÇÃO São definidos três níveis de integração e aplicação desta metodologia em edifícios, de complexidade, custo e

eficiência crescentes:

Figura 5.1 – Estrutura da proposta de integração e as suas fases

Partindo do princípio que se procura otimizar o ciclo de vida destes materiais e produtos, será tentada uma

integração entre os vários níveis de intervenção sugeridos, combinando tecnologias e materiais que podem ser

aplicados na construção de edifícios novos ou na reabilitação de edifícios já construídos que permitam atingir os

objetivos propostos para redução de consumo energético em edifícios, redução de emissão de gases de estufa e

eficiente utilização de materiais e tecnologias. Esta integração visa principalmente promover a reutilização dos

produtos e materiais de diferentes áreas e o ótimo funcionamento integrado dos mesmos quando combinados

num edifício, resumidos na Tabela 5.1.

2 Integração moderada

3 Integração total

1Integração

ligeira

112

Tabela 5.1 – Proposta de integração

Integração Ligeira Integração moderada Integração total

Métodos

construtivos

Sistemas de distribuição integrados

Pré-fabricação

Núcleos de serviços

centrais

Construção Modular

Fabricação avançada

Eficiência

energética

Painéis de isolamento a vácuo

Aerogel

Materiais de mudança de estado

Janelas inteligentes

Ventilação natural

Sistemas óticos de

iluminação natural

Sistema composto de


Sistemas de

informação

Sistemas de monitorização e

otimização de consumo Sensores e interfaces

Sistema de automação de

edifícios

Esta estratégia integra as áreas-chave propostas pela união europeia com a exceção da geração de energia

renovável, pois embora possa ser integrada na construção de edifícios, a sua investigação e desenvolvimento

não é feita dentro da esfera da engenharia civil e construção.

EDIFÍCIO MODELO O edifício modelo é retangular em planta, apresentando uma estrutura porticada com uma área de implantação

de 1000m2 e 8 andares acima do solo, com cobertura plana não acessível. As fundações assentam sobre um solo

rochoso e não são analisadas em detalhe. O dimensionamento deste ediíicio modelo foi baseado na consulta dos

dados do Instituto Nacional de Estatística (INE), considerando-se o mais representativo da tipologia dos edificios

construidos no Porto e em Lisboa.

Tabela 5.2 – Características da edifício modelo

Estrutura

(Pilares vigas e lajes) Betão armado cofrado e betonado in-situ

Envolvente

(Fachada)

Alvenaria parede dupla com isolamento dentro da caixa de ar

Vidros duplos incolores

Cobertura

(Cobertura plana não acessível) Laje betão com isolamento interior

Iluminação

(Artificial e natural)

Lâmpadas florescentes

16% Área útil de envidraçados

Ventilação

(Artificial ou natural) Sistema AVAC ou sistemas de climatização passivas

113

As necessidades de conforto interior são calculadas como se se tratasse de um edifício de escritórios e sem

sistema de climatização centralizada, maximizando a flexibilidade de ocupação de todos os andares do edifício.

O edifício é localizado em lisboa com os seguintes requisitos de conforto interior, retirados do regulamento das

características de comportamento térmico dos edifícios (RCCTE). O regulamento consultado é o que está em

vigor desde 2006, não tendo sido utilizado o regulamento mais recente pois, à data da realização desta

dissertação ainda nao tinha sido implementado.

Tabela 5.3 – Requisitos de conforto interior considerados (Diario da republica, 2006)

Ventilação

(Caudal mínimo)

Piso 3000 m3/h

Edifício 24000 m3/h

Iluminação

(Iluminância mínima) Piso 500 lux

Térmica

(coeficiente de transmissão de calor máximo)

Envolvente (opaca) 1,8 W/m².K

Cobertura 1,25 W/m².K

Fator solar

(fator solar máximo) Vãos envidraçados 0,56

5.3.1 EDIFÍCIO DE CONSTRUÇÃO CORRENTE É apresentado um edifcio de construido utilizando técnicas tradicionais e soluções correntes para que possa ser

feita a comparação quantitativa das várias propostas de integração. O edifício de 8 andares é então executado

como uma estrutura porticada com elementos estruturais de betão armado e paredes duplas de alvenaria de

tijolo. As características da construção corrente são apresentadas na Tabela 5.4.

Tabela 5.4 – Características do edifício em construção corrente.

Sistemas construtivos Custo unitário

Elementos Tempo de execução unitário

Tempo de execução total

Custo (€)

Laje 60€/m2 9000 m2 57 min /m2 356 540.000,0

Viga 27,9 € /m 3539,2 m 10 min / m 25 98.743,7

Pilar 133,25 €/pilar 392 Pilares 12 min / pilar 3 52.234,0

Fachada de parede dupla de alvenaria de tijolo 25 €/m2 1857 m2 52 min / m2 67 46.425,0 Secagem do betão 0 € 8 Pisos 10 dias/ piso 80 0

Isolamento térmico Custo unitário

Dimensões / quantidades

Transmissão térmica

Custo (€)

Opaco XPS fachadas 7,3 €/m2 2476 m2 0,44 W/m2.K 18.074,1 XPS

Cobertura 7,3 €/m2 1000 m2 0,81 W/m2.K 7.300,0

Envidraçados Vidro duplo 34 €/m2 661 m2 2,8 W/m2.K 22.474,0

Ventilação Custo unitário

Caudal de ventilação unitário


Caudal de ventilação total

Custo (€)

AVAC central 52,5 €/m2 2000 m3/h 8000 m2 16000 m3/h 420.000,0

Iluminação Custo unitário

Fluxo luminoso (Lumens)


Iluminância (lux)

Custo (€)

Lâmpada florescente compacta 3.1 €/unid 130 - 3000 167/ Piso 500 4.141,6 €

Este edifício de construção corrente apresenta um custo final aproximado de 1.209.393,1€ e um tempo de

execução de 531 dias de trabalho.

114

CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO Para que possa ser feita uma avaliação quantitativa e qualitativa das soluções, torna-se necessário analisar as

tecnologias sugeridas de uma forma objetiva. Pretende-se quantificar o custo de execução de cada solução e os

potenciais benefícios da sua implementação quando comparados com soluções convencionais na Tabela 5.5.

O custo das soluções analisadas é apresentado dentro de um intervalo visto que vários fabricantes foram

consultados a nível internacional, fazendo variar o custo das matérias-primas da mão-de-obra e das tecnologias.

A aplicação representa os elementos construtivos que cada tecnologia visa substituir ou melhorar. O tempo de

execução é calculado com base em estimativas de tempo de construção dos vários elementos que compõem a

superestrutura e a envolvente do edifício em dias de trabalho contínuos de 24h.

Tabela 5.5 – Critérios de avaliação de tecnologias de acordo com a área de atuação

Critérios Métodos

construtivos

Isolamento

térmico

Ventilação

natural

Iluminação

natural

Sistemas

compostos

Tecnologias de

informação

Custo (€) ● ● ● ● ● ●

Aplicação ● ● ● ● ● ●

Potencial de

redução de resíduos

(%)

●

Tempo de execução

(dias de trabalho) ●

Potencial de

redução de

consumo energético

(%)

● ● ● ●

Potencial de

aumento da


(%)

● ●

O cálculo das potenciais melhorias a nível energético e de produção de resíduos é quantificada da seguinte

maneira:

O potencial de redução de consumo energético é quantificado com base na redução de consumo que

as várias tecnologias apresentam quando comparadas com soluções construtivas convencionais, como

por exemplo a capacidade de aquecimento da fachada ativa no caso de estudo do edifício Solar XXI, que

diminui o consumo dos equipamentos de climatização do edifìcio.

O potencial de aumento da eficiência energética é quantificado com base na diferença de desempenho

das tecnologias quando comparadas com as soluções construtivas convencionais, como por exemplo

calculando a diferença de valores de coeficiente de transmissão térmica de um isolamento XPS e de um

isolamento aerogel.

115

O potencial de redução de resíduos é quantificado com base nos desperdícios não recicláveis que cada

um dos sistemas produz. Assim sendo, quanto menor a quantidade de resíduos não recicláveis

produzidos, maior o potencial de redução de resíduos.

Com a escolha destes critérios pretende-se promover uma comparação direta, qualitativa e quantitativa das

várias propostas de integração. O tempo de execução e a o potencial de redução de resíduos permitem comparar

os sistemas construtivos propostos e quantificar os benefícios que trazem à construção do edifício. A aplicação

permite identificar os elementos que são afetados pela integração das diferentes tecnologias. O potencial de

aumento da eficiência energética e de redução de consumo energético permitem comparar o impacto no

desempenho energético do edifício. O custo permite comparar a viabilidade económica de cada proposta.

5.4.1 PONDERAÇÕES De uma maneira geral, é relativamente fácil quantificar os benefícios que diferentes métodos construtivos

trazem para um edifício em termos de tempos de execução e custos associados. No entanto quando são

analisados sistemas de eficiência energética e sistemas de informação torna-se um processo mais complexo.

De forma a ser possível analisar os benefícios de cada solução para o edifício é necessário definir qual a

importância de cada sistema no comportamento energético global do edifício. Para tal recorre-se a um método

de ponderações onde cada sistema é classificado de acordo com a sua influência na eficiência energética e

redução de custos energéticos na Tabela 5.6. Este ranking é baseado num inquérito feito a empresas de

construção e exploração de edifícios desenvolvido pelo “Jornal of cleaner production”. (Roufechaei et al., 2014)

Tabela 5.6 – Ranking e ponderações afetas a cada solução para consideração da eficiência energética e redução de

consumos global.

Soluções Ranking de importância

Ponderações

Isolamento térmico 1 1 Iluminação 2 0,9 Ventilação natural 3 0,8 Sistemas de fachada 4 0,7 Sensores e interfaces 5 0,6 Sistemas de automação de edifícios 6 0,5 Contadores inteligentes 7 0,4

INTEGRAÇÃO LIGEIRA Focando-se em sistemas de distribuição de água, drenagem de águas residuais, eletricidade e ventilação

integrados pretende-se uma abordagem mais eficiente à distribuição de serviços, que facilite a manutenção e

durabilidade destes componentes. Seguidamente são apresentadas soluções de isolamento térmico e ventilação

natural que promovem a eficiência energética de edifícios de uma forma passiva e com baixo custo de compra

de materiais e equipamentos. Finalmente são introduzidos os sistemas de monitorização inteligentes que

permitem obter os consumos energéticos dos edifícios em tempo real e promover comportamentos dos

ocupantes energeticamente mais eficientes.

116

Na integração ligeira a estrutura do edifício é executada de maneira convencional com a integração de sistemas

de distribuição de serviços. Esta integração pode ser feita substituindo a laje de pavimento pelo sistema slimline

ou aplicando o sistema matura sobre a laje já existente.

Tabela 5.7 - Avaliação dos sistemas construtivos propostos

Custo unitário

Aplicação Tempo de execução (min/m2)

Tempo de execução total (dias de trabalho)

Custo total (€) Potencial de redução de resíduos

Slimline 150 €/m² 8 Lajes 7 39 1.200.000 € 60% - 80%

Matura 45€/m²

Pavimento flutuante

4 22 432.000 € 5% - 20%

Toda a envolvente do edifício é isolada recorrendo a painéis de isolamento em vácuo ou a placas de aerogel

aplicadas na caixa-de-ar entre os dois panos de alvenaria que constituem as fachadas e na cobertura.

Tabela 5.8 – Avaliação dos isolamentos térmicos propostos

Custo unitário (€/m²)

Aplicação Dimensões / quantidades (m2)

Custo total mínimo (€)

Custo total máximo (€)

Potencial de aumento da eficiência energética (%)

Potencial de redução de consumo energético (%)

VIP 10 - 20 Fachada e cobertura

3476 34.760,0 69.520,0 0 83

Sílica aerogel (placas)

18 - 43 Fachada e cobertura

3476 62.568,0 149.468,0 0 48

PCM micro/ macro encapsulado

10 - 32

Cobertura, pavimento e sistema de ventilação

2000 20.000,0 64.000 69 15

Janela cristais líquidos (filme)

180 - 250

Vãos envidraçados e janelas

661 118.980,0 165.250,0 54 Este: 8 - 52 Oeste: 11 - 51 Sul: 10 - 53

Janela cristais líquidos

230 - 430

661 152.030,0 284.230,0 54

Janela Electrocrómica (filme)

230 - 320

661 152.030,0 211.520,0 7

Janela Electrocrómica

320 - 400

661 211.520,0 264.400,0 7

Sílica aerogel (janelas)

42

661 27.762,0 € 27.762,0 € 48 0

São utilizados materiais de mudança de fase aplicados nas duas faces das lajes e incorporados no sistema de

ventilação para gestão das necessidades de aquecimento/arrefecimento do edifício. Os vãos envidraçados são

compostos por janelas de cristais líquidos ou janelas electrocrómicas ou ainda aerogel de sílica transparente.

A ventilação natural assegura o caudal necessário ao edifício recorrendo a um de três sistemas principais: coletor

de vento, chaminé solar ou ventilador de turbina, todos instalados sobre a cobertura do edifício. As grelhas de

ventilação e a breathing wall funcionam como sistemas auxiliares de ventilação natural, sendo instalados na

fachada do edifício.

117

Tabela 5.9 – Avaliação de sistemas de ventilação natural propostos

Custo unitário

Aplicação Dimensões / quantidades

Caudal de ventilação total (m3/h)




Pri

nci

pa

l

Coletor de vento

3.500 € - 15.000 €

Cobertura 33 Coletores 23760 115.500,0 495.000,0 17 - 40

Chaminé Solar

14.500 - 36.000 €

Cobertura 6 Chaminés solares

23400 87.000,0 216.000,0 20 - 50

Ventilador de turbina

40 € / Peça

Cobertura 18 ventiladores

66600 720,0 720,0 15

Au

xilia

r Breathing Wall

ND Fachada 23,2x5 (m2) 129,92 ND ND 20

Grelhas de ventilação

10 - 40 €/m²

Duas por Fachada

0,8x31 (m2) 198,4 1.984,0 7.936,0 10

Finalmente são instalados contadores inteligentes, um por piso, no sistema de distribuição de água, gás e

eletricidade recorrendo a um dos seguintes sistemas da Tabela 5.10.

Tabela 5.10 - Avaliação dos contadores inteligentes propostos

Custo unitário Aplicação Custo total (€)


WaterBeep (água) 12 € - 20 € /Mês Contador de água do piso 96,0 0 - 10

Re:dy (eletricidade) 100 € + 5,90 €/Mês Contador de eletricidade do piso Tomadas inteligentes

800,0 0 - 10

The owl (eletricidade) 60 € Contador de eletricidade do piso Tomadas inteligentes

480,0 0 - 10

Cloogy (eletricidade) 240 € Contador de eletricidade do piso Tomadas inteligentes

1.920,0 0 - 10

5.5.1 EXECUÇÃO DA PROPOSTA Nesta proposta de integração ligeira aposta-se na utilização do sistema matura. Este sistema é aplicado como

pavimento flutuante sobre a laje já existente. Desta forma, evita-se a criação de ligações diretas ao resto da

estrutura, necessária ao sistema slimline, e mantem-se um nível de flexibilidade elevado. Com um custo elevado

e uma razoável redução de resíduos, esta solução destaca-se pela flexibilidade que acrescenta ao

desenvolvimento dos serviços no espaço interior.

A nível de isolamentos térmicos, a aposta recai sobre um sistema com resultados já comprovados. O isolamento

da envolvente do edifício (fachadas e cobertura), recorrendo a painéis exteriores de isolamento em vácuo, VIPs,

e a integração de materiais de mudança de fase, PCM, na cobertura e pavimento. Nos vãos envidraçados a

escolha recai sobre as janelas de cristais líquidos pois o permitem não só um aumento de eficiência energética

como também uma redução dos consumos energéticos, a um custo acrescido baixo (vão envidraçado já

118

contemplado no custo total da tecnologia). Estes três sistemas permitem um aumento da inercia térmica do

edifício e um isolamento eficiente.

O sistema de ventilação natural faz uso da chaminé solar, associado a grelhas de ventilação instaladas nos

caixilhos das janelas e na fachada para promover fluxos de ventilação elevados. O facto da chaminé solar ser um

sistema passivo de elevada eficiência motivou esta escolha. A estratégia de ventilação natural contemplada faz

uso das grelhas de ventilação colocadas a duas cotas diferentes nas fachadas de cada piso para promover a

ventilação cruzada e de um só lado personalizada, recorrendo ao PCM instalado na caixa-de-ar entre os dois

panos de alvenaria como sistema de aquecimento/arrefecimento do ar insuflado. As chaminés solares

promovem a ventilação com base no efeito de chaminé recorrendo à interligação dos espaços independentes

com os espaços comuns do edifício de onde e feita a exaustão do ar.

A nível de contadores inteligentes foram escolhidos o sistema owl e o sistema waterbeep pois são os que

apresentam maior capacidade de integração num edifício de grandes dimensões.

INTEGRAÇÃO MODERADA Após a implementação de métodos construtivos eficientes em pequena escala são introduzidos os núcleos

centrais de serviços e a pré-fabricação de elementos estruturais na construção.

A nível de eficiência energética são introduzidos os sistemas óticos de iluminação natural e finalmente

introduzem-se os sistemas de sensores e interfaces que não só ajudam a monitorizar as condições de conforto

interior de edifícios, como também, através de algoritmos informáticos otimizam o seu funcionamento e

promovem uma interação constante com os ocupantes.

Tabela 5.11 – Avaliação do sistema construtivo proposto

Sistemas construtivos Custo unitário

Aplicação Tempo de execução

Tempo de execução total (dias trabalho)

Custo total (€)

Potencial de redução de resíduos (%)

Pré-fabricação Laje 80 €/m²

Superestrutura do edifico

29 min/m2 181 720.000,0 -47

Pilar 380 €/pilar 45,6 min / pilar 4 42.560,0 15 - 20 Viga 130 €/m 9 min /m viga 22 460.096,0 90 - 97

Núcleo serviço central Variável Estrutura de suporte a serviços

Variável Variável Variável 5 - 10

Na integração moderada a estrutura porticada do edifício é toda pré-fabricada, transportada e montada no local

utilizando ligações diretas com dispositivos de fixação entre elementos seguido de enchimento e vedação das

juntas.

119

Tabela 5.12 – Avaliação dos sistemas de iluminação propostos

Custo unitário





Sist

ema

1

Lente Fresnel Linear / calha parabólica

500 - 2000 € / Unidade

Cobertura 2 Coletores 1.000,0 4.000

20 - 45

Mini parabólica com rastreador de sol

200 - 500 € /Unidade

Cobertura 9 Parabólicas (conjuntos de 4)

1.800,0 4.500

Fibra ótica plástico / Vidro (máximo 20m com perdas de 72%)

10 €/m Todo o edifício

7 Feixes de fibra/piso 1323 m de fibra

13.230,0 13.230

Difusor hibrido (Led + fibra ótica)

50 - 100 € /unid

Iluminação 143 Lâmpadas / piso

42.900,0 85.800

LED 10 - 30 € /unid

Iluminação 143 Lâmpadas/piso

2.860,0 8.580 50 - 60

Sist

ema

2

Tubo Solar

400 - 1.500 € /unid + 30% tubos refletores

Cobertura 6 Tubos solares /piso

2.520,0 9.450

60

Difusor de luz 25 - 50 € / unid

Iluminação 6 Difusores / piso

1.200,0 2.400

LED 10 - 30 € /unid

Iluminação 143 Lâmpadas/piso

11.440,0 34.320 50 - 60

Sist

ema

s a

uxi

liare

s

Betão translucido (40% condições exteriores a 2 metros da parede)

1.000 € / m2 Fachada 248 m2 248.000,0 248.000 1 - 5

Microprismas eletromecânicos (40% condições exteriores a 2 metros das janelas)

ND Vãos envidraçados

132 m2 (20% de 661 m2)

ND ND 1 - 5

Legenda: ND - Não definido

O aproveitamento da iluminação natural assegura a iluminância necessária durante o dia e à noite recorrendo a

sistemas híbridos de iluminação natural e artificial. São concebidos dois sistemas principais e dois sistemas

auxiliares:

Sistema 1: Recorrendo a um coletor instalado na cobertura, lentes fresnel, calhas parabólica ou mini

parabólicas óticas, é encaminhada a luz para um sistema de distribuição de luz, composto por feixes de

19 fibras óticas de grande diâmetro, que servem difusores híbridos (led + fibra ótica) instalados nos 6

andares superiores do edifício. Nos restantes pisos são utilizadas lâmpadas led.

Sistema 2: Tubos solares são instalados na cobertura e na fachada na forma de grandes cúpulas

prismáticas que coletam e direcionam a luz para dentro do edifício, através de tubos radiantes que

emitem luz ao longo do seu desenvolvimento. Difusores dentro do edifício emitem luz para cada piso.

São também utilizadas lâmpadas led em todos os pisos como sistema de iluminação artificial.

120

Sistema auxiliar: é aplicada uma pelicula de microprismas eletromecânicos sobre a parte superior dos

vãos envidraçados de modo a direcionar os raios solares para dentro do edifício e é utilizado betão

translucido nas fachadas.

Finalmente são instalados sensores de humidade, temperatura e qualidade do ar dentro do edifício. Para tal

recorrem-se a soluções modulares de pequena complexidade, como os termostatos inteligentes nest e ecobee

e micro sensores instalados nos dispositivos móveis pessoais, ou então a redes de sensores sem fios mais

abrangentes e fiáveis em grandes edifícios.

Tabela 5.13 – Avaliação dos sistemas de sensores e interfaces propostos

Custo unitário

Aplicação Custo total (€)


Micro sensores ND Dispositivos móveis dos ocupantes ND 0 - 40

Ecobee 340 € Termostato inteligente / piso 2.720,0 26

Nest 190 € Termostato inteligente / piso 1.520,0 20

Rede de sensores sem fios

17000 € Sensores sem fios instalados em vários pontos do edifício

136.000,0 0 - 40

Legenda: ND - Não definido

5.6.1 EXECUÇÃO DA PROPOSTA Nesta proposta de integração moderada aposta-se na execução de toda a superestrutura do edifico recorrendo

a elementos pré-fabricados de betão. Nestes elementos está contemplado também um núcleo de serviços

central que abastece todos os pisos do edifício. A flexibilidade dimensional, velocidade de execução e potencial

de redução de resíduos são os principais atrativos deste método construtivo.

A iluminação do edifício contempla a utilização do sistema 1, com recurso a conjuntos de 4 mini parabólicas com

rastreador de sol. Esta solução beneficia de ser de mais fácil integração no edifício pois as fibras óticas são muito

mais flexíveis e pequenas que os tubos solares. O sistema hibrido de distribuidores de luz permite garantir a

iluminância necessária dentro do edifício independentemente das condições exteriores e sem recurso a

iluminação artificial adicional. Como sistema auxiliar escolheu-se a aplicação de micro prismas eletromecânicos

nos vãos envidraçados pois apresentam-se como uma tecnologia extremamente promissora no

redireccionamento de luz para dentro do edifício.

A nível de sensores e interfaces foi escolhida a rede de sensores sem fios aliada a micro sensores instalados nos

dispositivos móveis dos ocupantes por serem os mais adequados a edifícios destas dimensões. Os interfaces

dispostos no edifício permitem o controlo de vários cenários de iluminação e temperatura. Fazendo uso dos

dados recolhidos por cada dispositivo móvel dos ocupantes, é possível otimizar a eficiência do edifício. Esta

otimização torna as leituras de temperatura, humidade e iluminação mais fiáveis e permite analisar em detalhe

o comportamento dos ocupantes, aumentando o potencial de redução de consumo energético para intervalos

entre 20% - 40%.

121

INTEGRAÇÃO TOTAL Na integração total, ultima desta proposta, analisam-se tecnologias que ainda não tiveram tempo para se

tornarem soluções comerciais correntes, devido à incerteza do seu comportamento em condições reais, sendo

necessário desenvolver mais investigação para que tal aconteça.

Métodos construtivos inovadores como a construção modular e a fabrico avançado são analisados como

alternativa aos atuais métodos construtivos. Na área da eficiência energética são analisados sistemas dinâmicos

de isolamento de fachadas e coberturas, de natureza modular, que promovem uma resposta ativa do edifício as

condições exteriores, permitindo uma mediação entre o ambiente interior e o ambiente exterior com baixo

consumo energético.

Finalmente é introduzido o conceito de automação de edifícios onde a gestão das condições de conforto térmico,

qualidade do ar e consumos de energia são integrados num só sistema que responde ativamente às necessidades

dos seus ocupantes.

A estrutura do edifico é construída através de um de dois sistemas construtivos: construção modular e

fabricação avançada.

Na construção modular o edifício é fabricado em módulos de 5 m x 10 m compostos por uma estrutura mista

metálica/betão, com lajes leves e paredes exteriores de betão já com isolamento e negativos para os vãos

envidraçados. Os módulos apenas têm capacidade resistente para suportar 5 andares, tendo os 3 primeiros

andares da estrutura de ser construídos de maneira convencional. Estes módulos apenas têm de ser montados

em obra e a sua fixação faz-se utilizando ligações diretas com dispositivos de fixação entre os módulos seguido

de enchimento e vedação das juntas.

Na fabricação avançada a estrutura do edifício é construída com recurso a grandes máquinas de contour crafting

que depositam betão in-situ sobre uma estrutura de suporte de forma automatizada, sendo colocadas lajes pré-

fabricadas entre pisos. A envolvente interior do edifício recorre à impressão 3d em fábrica para conseguirem

criar paredes com “negativos” para a integração de serviços e isolamentos. As paredes são então transportadas

para obra e ligadas ao resto da estrutura recorrendo a ligações diretas com dispositivos de fixação entre

elementos seguido de enchimento e vedação das juntas.

A envolvente do edifício utiliza sistemas compostos de eficiência energética para controlar as condições do

ambiente interior. São utilizados os sistemas de fachada dinâmica ABE e CAS fixados com dispositivos de fixação

à superestrutura do edifício, seguido de enchimento e vedação das juntas. Opcionalmente são introduzidas as

varandas dinâmicas bloomframe e fakro como elementos de flexibilização de espaço útil na fachada e cobertura

(inclinada), também fixados com dispositivos de fixação à superestrutura do edifício.

122

Tabela 5.14 – Avaliação dos sistemas construtivos propostos

Custo unitário

Aplicação Tempo de execução

Tempo de execução total (dias)




Construção modular

700 - 2100 €/m2

Edifício pronto (5 pisos)

27 min/m2

150 3.500.000,0 10.500.000,0

90 - 95 Construção convencional

92 €/ m2 super estrutura (3 pisos)

81 min/ m2

169 276.000,0

276.000,0

Contour crafting

56 € / m2

Superestrutura do edifício

3 min /m2 23 448.000,0 448.000,0 80 - 100

Impressão 3d 75 €/m2 Paredes interiores

3 min /m2 21 139.275,0 139.275,0 80 - 100

Tabela 5.15 – Avaliação dos sistemas compostos de eficiência energética propostos

Custo unitário




Potencial de aumento de eficiência energética (%)


ABE 250 €/m2 - 320 €/m2

Fachada Sul

900 - 3100 mm 793,6 m2

198.400,0 253.952,0 50 (vidro) + 68 (Opaco)

6

CAS 220 €/m2 - 400 €/m2

Fachada Sul

900 - 3100 mm 793,6 m2

174.592,0 317.440,0 7 (vidro) + 89 (opaco)

20

Bloomframe 8000 - 10000 € /Unidade

Fachada Sul

2620 x 1050 mm 10 Varandas/piso

640.000,0 800.000,0 57 (vidro) + -29 (opaco)

0

Fakro 3.000 € /Unidade

Cobertura (inclinada)

940 x 2550 mm 10 varandas /cobertura

30.000,0 30.000,0 54% (vidro) 0

É utilizado um sistema de automação integrado em todo o edifício. Este sistema faz uso da informação recolhida

pelos vários sensores instalados para controlar as condições de conforto interiores. Recorrendo a um conjunto

de atuadores que controlam a abertura das janelas e entradas de ventilação, os sistemas de sombreamento, o

sistema de iluminação e o sistema AVAC, caso exista, consegue-se uma melhoria significativa da eficiência

energética do edifício independente do comportamento dos ocupantes.

Tabela 5.16 - Avaliação do sistema de automação de edifícios propostos

Custo unitário Aplicação




Sistemas de automação de edifícios

10000 € - 40000 €

Sensores espalhados pelo edifício e atuadores nas janelas, condutas de ventilação, iluminação e AVAC

80000,0 320000,0 30 - 40

123

5.7.1 EXECUÇÃO DA PROPOSTA A nível do sistema construtivo foi escolhida a solução de construção modular. Devido às restrições de resistência

mecânica dos módulos apenas se podem executar os 5 pisos superiores do edifício com esta solução, sendo os

restantes 3 inferiores executados de maneira corrente. Esta solução é muito vantajosa do ponto de vista de

produção de resíduos e tempo de execução, sendo no entanto muito dispendiosa. O tempo de execução

apresentado garante um edifício pronto a utilizar, com acabamentos executados e com todos os serviços

integrados no edifício.

A fachada do edifício é composta por painéis pré fabricados que compõem a fachada adaptável CAS. Esta solução

apresenta uma grande área de vãos envidraçados, devidamente isolados, e a inclusão de materiais de mudança

de fase. Para além de apresentar o maior potencial de redução de consumo energético, promove uma fonte

abundante de iluminação natural, aumenta a inercia térmica do edifício e integra-se muito bem com o sistema

construtivo escolhido.

Finalmente, o sistema de automação de edifícios, faz uso de uma rede de sensores sem fios aliada a um conjunto

de atuadores sobre janelas, sistemas de ventilação, sistemas AVAC e iluminação, para garantir que todas os

requisitos de conforto interior são cumpridos. Este sistema tem uma influência direta sobre a eficiência dos

restantes sistemas instalados pois tem a capacidade de “aprender” com o comportamento dos ocupantes e assim

otimizar as soluções instaladas de forma automática.

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO Analisam-se as propostas escolhidas para a avaliação do cumprimento dos objetivos propostos:

Eficiente utilização de recursos na construção de edifícios

Aumento da eficiência energética em edifícios

Redução do consumo energético em edifícios em 20%

As propostas apresentadas demonstram que, para se conseguir uma redução de resíduos consideráveis nos

sistemas construtivos, é necessário um investimento avultado numa obra destas dimensões. Promovem também

progressivamente uma flexibilização dos edifícios, permitindo uma maior gama de utilizações e configurações,

bem como a sua desconstrução eficaz. Os tempos de execução são progressivamente reduzidos e permitem

prazos de entrega de obras mais curtos e com grande controlo de qualidade.

Traça-se assim um possível caminho para o cumprimento do objetivo de uma eficiente utilização de recursos na

construção de edifícios, como apresentado na Tabela 5.17.

Representados na Tabela 5.18, os sistemas de eficiência energética e sistemas de informação propostos traçam

um caminho faseado para o cumprimento dos objetivos propostos. Na primeira proposta o foco está em

melhorar a eficiência energética do edifício pois tem um retorno imediato no aumento da qualidade da

construção. Na segunda proposta o foco passa para a redução dos consumos do edifício onde há um retorno

maior do investimento, exige um menor esforço financeiro mas apresenta um baixo impacto na qualidade da

124

construção. Finalmente, na terceira proposta as soluções apresentam desempenhos mais equilibrados, fruto da

sua capacidade de adaptação e resposta as condições exteriores ao edifício.

Tabela 5.17 – Avaliação das propostas de sistemas construtivos

Critérios Avaliação

Soluções escolhidas

Lig

eira


12,5%

Execução de um pavimento flutuante com tubagens, instalações elétricas e condutas de ventilação integradas.

Custo acrescido (%) 35,7% mais caro

Tempo de execução (%) 0% (mesmo tempo de instalação de serviços)

Mo

der

ad

a


11,2%

Pré fabricação e montagem da superestrutura com núcleo de serviços central.

Custo acrescido (%) 44% mais caro

Tempo de execução (%) 46% Mais rápido

Tota

l


92,5% Construção corrente dos 3 pisos primeiros pisos do edifício. Elevação de módulos pré-fabricados para os restantes 5 pisos.

Custo acrescido (€) Entre 210,9% e 789,7% mais caro

Tempo de execução (%) 40% Mais rápido

Tabela 5.18 - Avaliação das propostas de eficiência energética e sistemas de informação

Critérios Avaliação ponderada Total

Lig

eira

Potencial de Redução de consumo energético (%) 8,4% (isolamento térmico) + 2% (contadores inteligentes)

10,4%

Potencial de Aumento da eficiência energética (%) 10,5% (isolamento térmico) + 18% (ventilação natural)

28,5%

Custo acrescido (%) Entre 11,6% e 27,3% mais caro

Mo

der

ad

a Potencial de redução de consumo energético (%) 12,6% (iluminação hibrida) + 18% (sensores e interfaces)

30,6%

Potencial de Aumento da eficiência energética (%) 0% 0%

Custo acrescido (%) Entre 7% e 21% mais caro

Tota

l

Potencial de redução de consumo energético (%) 14% (fachada CAS) + 17,5% (automação de edifícios)

31,5%

Potencial de aumento da eficiência energética (%) 16,4% (fachada CAS) 16,4%

Custo acrescido (%) Entre 21,1% e 52,7% mais caro

125

6. CONCLUSÃO E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

CONCLUSÕES GERAIS Na conclusão desta dissertação percebe-se que o caminho para a inovação na construção depende de uma

cooperação e comprometimento geral de todos os agentes do setor construtivo, desde os decisores políticos,

passando pelas construtoras e fabricantes, até aos utilizadores finais. As soluções que foram sugeridas não

apresentam grande complexidade quando consideradas ainda na fase de projeto de um edifício. A complexidade

aumenta quando se tenta a sua aplicação em obras de reabilitação de edifícios. O desempenho geral das soluções

é considerado positivo visto que atua sobre os três objetivos propostos pela união europeia e que seguindo as

propostas de integração se conseguem alcançar esses objetivos.

Foi feito um estudo da literatura existente sobre a teoria da inovação que inclui as várias definições que foi

adquirindo ao longo do tempo, os principais agentes intervenientes e modelos de classificação. Após a definição

do setor da construção português e europeu, foi possível concluir que o modelo de inovação de Chandy e Tellis

seria o mais indicado para ser transposto para o setor da construção, possibilitando uma classificação dos vários

tipos de inovação existentes.

A definição de uma estratégia para a inovação na construção atual baseou-se num documento oficial emitido

pela União Europeia denominado de Horizonte 2020. Trata-se de um plano transversal a todos os sectores

económicos e tem um impacto profundo no setor da construção, onde são definidos vários objetivos para a

construção de edifícios aliados a um plano de investimento comunitário ambicioso, como a redução de resíduos

da construção, o aumento da eficiência energética e a diminuição do consumo de energeia em edifícios.

Com o foco neste plano de ação foi proposto um conceito de construção de edifícios, denominado de eficiência

inteligente. Nesta proposta foram analisadas e caracterizadas soluções construtivas e tecnologias aplicáveis à

construção de edifícios que visam o cumprimento destes objetivos e que contribuem uma nova fase de inovação

tecnológica na construção civil. As principais áreas onde foram identificadas soluções inovadoras foram as de

isolamento térmico, ventilação, iluminação natural em edifícios e sistemas de informação.

O conceito de eficiência inteligente e a metodologia proposta permitiram que os objetivos definidos fossem

alcançados e que fosse acrescentada flexibilidade aos componentes do edifício com ciclo de vida mais curto,

promovida a maior eficiência energética através da utilização de materiais e sistemas compostos, e melhorada a

monitorização e automação do edifício para uma mais rápida resposta a mudanças das condições exteriores.

Conclui-se que a integração de painéis de isolamento em vácuo, ou VIP, e materiais de mudança de fase, ou PCM,

ajudam a aumentar a massa térmica do edifício e minimizam as variações de temperatura no seu interior. A

utilização de chaminés solares na cobertura e grelhas de ventilação na fachada permitem uma poupança

energética alta e promovem um arrefecimento/aquecimento do edifico sem recurso a sistemas AVAC. A

iluminação hibrida com recurso a mini parabólicas consegue diminuir o consumo energético do edifício e aliada

126

a sistemas inteligentes de monitorização de consumo e condições interiores. Concentrando isolamento térmico

e ventilação natural num elemento de fachada como a fachada CAS (fachada adaptável) garante uma melhor

gestão da temperatura interior e acrescenta valor a este elemento construtivo. A utilização de sistemas

inteligentes de monotorização das condições interiores e a automação de processos aumenta a eficiência de

todos estes sistemas mencionados e ajuda a promover comportamentos energeticamente mais responsáveis por

parte dos ocupantes do edifício.

A nível de sistemas construtivos foram analisados três métodos de execução de edifícios. O sistema matura

garante uma flexibilização do tipo de ocupação do edifício e a prefabricação e construção modular possibilitam

uma redução do tempo de construção e da quantidade de resíduos produzidos.

Para a validação da proposta foram também analisados edifícios comerciais que utilizaram soluções inovadoras

e permitiram uma avaliação real da eficácia das soluções estudadas na proposta. O resultado final da dissertação

culminou na definição de um plano de ação para a inovação da construção de edifícios a nível comunitário.

CONCLUSÕES ESPECÍFICAS Foram identificadas todas as etapas para a correta implementação da proposta com a definição de uma

estratégia de inovação, a seleção de soluções e tecnologias inovadoras, a proposta de implementação em

edifícios, a sua validação com base em casos de estudo e a avaliação final. A partir da elaboração deste plano foi

possível chegar às seguintes conclusões:

A estratégia de inovação na construção deve focar-se na interação entre o setor privado e publico. A cooperação

entre centros de investigação e empresas privadas permite o desenvolvimento a curto e longo prazo de produtos

inovadores para a construção. Apostando em inovações incrementais e modulares, com menor investimento, é

possível desenvolver soluções a curto prazo.

As inovações de complexidade superior, exigem tempos de investigação e desenvolvimento mais longos e um

maior capital de investimento, mas garantem produtos para a construção com qualidade superior, maior

integração e funcionam como vantagem competitiva diferenciadora para as instituições e empresas envolvidas.

A difusão da inovação deve ser tratada como uma prioridade para o sucesso deste plano de ação, sendo as

pequenas e médias empresas de construção as principais impulsionadoras da introdução e experimentação

destas novas soluções nos mercados. São estas as empresas que compõem a maior parte do tecido empresarial

europeu e que o maior número de agentes incorporam com capacidade de implementar mudanças no setor. O

grande desafio reside na necessidade de investimento avultado que este papel acarreta, mas tal entrave pode

ser amenizado ao recorrerem aos mecanismos de financiamento recém-criados pela União Europeia. A agenda

2020 exige que os projetos candidatos aos mecanismos de financiamento cumpram determinadas metas na

construção e exploração de edifícios, tento em vista os objetivos traçados pelo documento.

127

A maioria das soluções inovadoras apresentadas para aplicação em reabilitação e construção de edifícios, são do

tipo incremental, modular e de sistema por serem possíveis difundir recorrendo a empresas individuais com

contacto direto com os proprietários da obra, neste caso as pequenas e médias empresas de construção.

Nos sistemas construtivos verificou-se que a separação dos vários componentes em elementos independentes,

facilitando a desconstrução e aumentando o ciclo de vida dos edifícios tem um impacto significativo no aumento

da sustentabilidade do processo construtivo. Desde a primeira proposta, onde apenas os serviços são

flexibilizados, até à última, onde parte da super estrutura é composta por módulos completamente

independentes, verifica-se que há um aumento da independência dos vários elementos e uma crescente

diminuição de produção de resíduos. O custo deste tipo de sistemas construtivos aumenta ao mesmo ritmo que

se flexibiliza a estrutura, mas garante uma maior qualidade na execução dos edifícios, prazos mais reduzidos, e

menor desperdício de materiais.

Na análise das soluções que influenciam diretamente a eficiência energética e consumos energéticos em edifícios

verificou-se que é possível atingir as metas definidas até 2020, reduzindo consumos energéticos em 20%,

aumentando a eficiência energética dos edifícios e diminuindo a produção de resíduos.

Conclui-se que os sistemas de isolamento térmico e ventilação natural têm um impacto repartido no

desempenho energético do edifício contribuindo para a redução de consumos energéticos em 10,4% e no

aumento da eficiência energética do edifício em 28,5%. Percebe-se também que a introdução destes materiais

equipamentos aumenta a qualidade da construção do edifício e o grau de passividade dos sistemas de eficiência

energética. A combinação de painéis de isolamento Vips, placas de PCM, e ventilação natural controlada melhora

a resposta do edifício as condições exteriores e acrescenta-lhe valor.

A proposta economicamente mais vantajosa, a de integração moderada, utiliza sistemas de iluminação híbridos

aliados a redes de sensores e interfaces inteligentes e resultam numa redução do consumo energético de 30,6%

. Tem também a vantagem de poder contribuir para a melhoria do comportamento dos ocupantes do edifício

através de uma interação simples e intuitiva com os vários sistemas tecnológicos implementados.

A proposta de integração total faz uso de sistemas compostos para aumentar a eficiência energética do edifício

em 16,4% e diminuir o consumo em 31,5%. Os sistemas tem a capacidade de responder ativamente na criação

de ambientes interiores controlados e, de forma automatizada, manter a qualidade e o conforto interior de um

edifício. Aqui culmina o conceito de eficiência inteligente, com sistemas inteligentes com interação física com o

edifício que proporcionam a otimização da resposta do edifício ao seu meio envolvente. Através de fachadas que

incorporam vários sistemas de isolamento, ventilação, aquecimento/arrefecimento e redes tecnológicas que

monitorizam e controlam todos os componentes do edifício, esta proposta demonstra ter o maior potencial de

redução de consumos e aumento de eficiência energética.

128

DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Na elaboração desta dissertação estudou-se o potencial benéfico da introdução destas soluções e tecnologias

em edifícios, bem como todo o processo que leva à sua criação, desenvolvimento e implementação. Várias

questões surgiram ligadas a interação entre os vários agentes inerentes a inovação e ligadas à interação entre as

várias soluções propostas. Estas questões demonstram um grande potencial para estudos futuros.

Recomenda-se o estudo e definição mais clara do papel dos centros de investigação e universidades na inovação

na construção, e de que forma a sua ação pode ter mais impacto na criação de tecnologias e soluções para

edifícios e na formação dos inovadores do futuro.

Tendo analisado sistemas maioritariamente já comercializados, sugere-se o estudo da viabilidade económica da

criação de edifícios modelo por parte dos centros de investigação e universidades em Portugal. Recorrendo a

mecanismos de investimento comunitários e parecerias privadas, independentes de orçamentos para a

educação, pensa-se ser possível a realização destes projetos experimentais muito fiáveis e com valor

acrescentado para os envolvidos, como forma de fomentar esta fase crucial da inovação, a invenção.

Um estudo mais aprofundado de sobre os métodos de execução dos vários sistemas apresentados permitiria

obter um custo de execução mais ajustado à realidade nacional e comunitária e funcionaria como um guia prático

para pequenas e médias empresas de construção que pretendessem inovar nesse sentido.

Um estudo detalhado sobre a interação dos sistemas de informação com os ocupantes permitiria também

perceber o real valor que estes sistemas tecnológicos acrescentam ao edifício. Boas práticas energéticas dentro

um edifício podem ser estimuladas recorrendo a interfaces intuitivos que podem ser partilhados por todos os

ocupantes, através dos smatphones e tablets, aliados a um nível de automação elevada dos sistemas do edifício.

Desta forma a interação com o edifício passa do simplistico ligado/desligado para uma linguagem mais interativa.

A nível tecnológico vive-se uma era de constante atualização, progresso e reinvenção. Este ritmo difere do ritmo

da evolução da construção de edifícios, pelo que o estudo de plataformas de partilha de informação,

conhecimento e experiencia, entre empresas privadas e publicas é imperativo para que o processo de inovação

na construção seja mais rápido e continuo.

129

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http://www.lneg.pt/download/4079/BrochuraSolarXXI_Maio2010.pdf

i

ANEXOS

ii

A.1 TECNOLOGIAS NÃO INTEGRADAS NO EDIFÍCIO MODELO

A.1.1 SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO INTEGRADOS O sistema Slimline é uma combinação de um teto e pavimento para serviços multidirecionais, integrados na

construção de um painel de laje extremamente leve e resistente que pode atingir flechas de 16 metros.

Este sistema permite a realização de edifícios de qualidade que oferecem a vantagem adicional de possibilitar

mudanças de utilização de um edifício (de escritório para unidades residenciais) sem recorrer a grandes obras de

reabilitação, permitindo o desenvolvimento de edifícios, que acomodam o uso residencial e comercial, ou uma

combinação variável dos dois.

Figura A.1 – Esquema do sistema slimline e seus componentes (esquerda) e Comparação de sistemas residenciais e

comerciais com o sistema multifuncional Slimline (direita).

O sistema slimline é significativamente mais leve do que outros sistemas de construção alternativos, permitindo

poupar mais de 50% no peso de toda a construção. Como o sistema de piso slimline é produzido à medida com

elementos pré-fabricados, minimizando assim a quantidade de resíduos, bem como o risco de erros de

construção.

Na Figura A.1 é representado o sistema que é composto por uma laje de betão pré-fabricado de 70 ou 80 mm de

espessura com vigas de aço integradas e aparafusadas. A camada de laje de betão suporta as cargas durante o

processo de instalação e execução da obra, sendo também responsável pelo aumento da estabilidade

dimensional do edifício, proteção contra incêndio e isolamento acústico. Os elementos de betão pré-fabricados

podem ser pré-esforçados ou armados segundo as direções de maior solicitação de carga, e são ligados entre si

através de “aranhas” metálicas situadas na extremidade da laje de betão.

As vigas de aço contêm aberturas, que proporcionam um espaço onde todos os cabos e tubos podem ser

livremente instalados. Este espaço tem uma altura entre 0,6 e 1,2 metros e acomoda condutas de ar, para

ventilação, aquecimento e refrigeração, tubagens de distribuição e recolha de água e instalações elétricas e de

comunicação. Os perfis utilizados para as vigas de aço variam conforme a flecha da laje, entre IPE e HEB, e são

utilizados vários sistemas de ligação entre o sistema slimline e os restantes elementos construtivos.

iii

Todas as instalações são facilmente acessíveis através de portas móveis no pavimento. O acesso aos serviços

instalados é feito através de pontos de acesso especialmente cortados (zonas de acesso flexível) no teto e

pavimento. (Lichtenberg 2006; Pronk 2011)

A.1.2 FABRICAÇÃO AVANÇADA Fabricação rápida (rapid manufacturing), e impressão 3D são tipos de tecnologias de produção aditivas, que

pertencem à mesma família de processos. Em termos gerais, estes processos produzem componentes

adicionando ou depositando material para formar um objeto. Estes processos contrastam com os métodos

tradicionais, usualmente de natureza subtrativa.

Fabricação rápida é o termo utilizado para descrever as máquinas de prototipagem rápida que são usadas para

produzir peças para uso final. Neste processo é criado um modelo 3D sólido do elemento desejado no software

CAD. O modelo é então traduzido em linguagem "STL", um formato de dados padrão que pode ser utilizado pela

maioria das máquinas de fabricação rápida, que define a sequência de impressão do objeto. A máquina

reconstrói então um objeto 3D por deposição sequencial de camadas bidimensionais de material.

Ferramentaria rápida (Rapid tooling) caracteriza as máquinas que produzem elementos e pecas que são

utilizadas para ferramentas, moldes, ou estruturas de cofragem. O sector da construção está a adotar a

ferramentaria rápida como um meio de formar moldes e ferramentas com geometrias e formas livres que

permitam a produção de elementos de forma rápida e em grandes quantidades. Estes moldes e cofragens

apresentam grande utilidade quando utilizados na reabilitação de elementos arquitetónicos em gesso e betão

de pequenas dimensões e grande complexidade, pois reduzem os tempos de moldagem ou escultura destas

peças complexas e a necessidade de mão-de-obra especializada. (R. a. Buswell, Soar, Gibb, e Thorpe, 2007;

Pendlebury, 2007)

Mais recentemente, o processo de Countor crafting foi desenvolvido para produzir elementos de grandes

dimensões, como paredes interiores e painéis de fachada (> 1m). Utilizando materiais tixotrópicos com

propriedades de cura rápida e características de retração reduzidas, tornam a produção de painéis de parede

rápida e atrativa. Estas máquinas combinam um processo de extrusão para formar as superfícies de objetos e

um processo de enchimento (por vazamento ou extrusão) para construir o núcleo do objeto. A fim de melhorar

o acabamento das superfícies visíveis, o material fornecido ao equipamento é moldado por um manipulador

secundário, ou colher de pedreiro. A combinação dos processos resulta num sistema que pode depositar

(relativamente) grandes quantidades de material, mantendo um acabamento de superfície de alta qualidade.

Esta tecnologia é atualmente líder no campo de automatização de processos construtivos.

iv

Figura A.2 – Processo de Contour crafting, onde está representado sistema que permite obter acabamentos lisos (esquerda)

e Maquina de Contour crafting (direita) (Bosscher et al., 2007)

Os equipamentos de Contour Crafting de maiores dimensões, como a mostrada na Figura A.2, têm sido

desenvolvidos para a construção de estruturas maiores. A operação de construção pode ser totalmente

automatizada requerendo um mínimo de supervisão. Algumas das vantagens importantes do Countor crafting,

em comparação com outros processos de fabricação em camadas são a superior qualidade de acabamento da

superfície, maior velocidade de fabricação, integração de serviços e um maior leque de materiais. (Bosscher,

Williams, Bryson, e Castro-Lacouture, 2007; Khoshnevis, 2004; J. Zhang e Khoshnevis, 2013)

Figura A.3 – Painéis de betão fabricados para obter uma menor condutividade térmica (esquerda) parede de betão

resistente com instalação elétrica e conduta de ventilação integrada (direita)

A impressão 3D segue os mesmos princípios de produção do Contour crafting, ficando apenas limitado pelo

tamanho das peças que pode produzir. Para a produção de tubagens e condutas de ventilação plásticas estas

ferramentas garantem um produto final com maior qualidade dimensional e com materiais mais complexos.

Estes dois sistemas combinados tornam-se muito versáteis para a produção de elementos estruturais e não

estruturais utilizados na construção de edifícios. Esta versatilidade permite criar elementos com serviços

embutidos que acrescentam valor e funcionalidades a elementos construtivos convencionais como naFigura A.3.

v

Adicionando mais funcionalidade a um produto, com um pequeno custo de fabricação extra, aumenta a

viabilidade destes processos. Os painéis de teste produzidos por este equipamento demonstram um

desempenho pelo menos tão bom como o do betão celular, aliado a um valor de transmissão termica de 0,112

W / mK e um custo de produção inferior ao de um painel de betao normal, 75€/m2. As paredes com serviços

integrados produzidas com estas tecnicas demoram cerca de 35% menos tempo que uma parede normal com

um custo acrescido de cerca de 47 €/m2, que reflete a integração de todos os serviços do edificio e a ausencia de

desperdicio. (R. a. Buswell et al., 2007; Lichtenberg 2004)

A.1.3 ISOLAMENTO TÉRMICO

A.1.3.1 Aerogel (Material de nano-isolamento) Um material de nano-isolamento pode ser definido como um material que é basicamente homogéneo e que

alcança um alto desempenho e qualidade de isolamento térmico, principalmente devido à sua estrutura porosa,

aberta ou fechada, de pequenas dimensões (menor que 50nm).

O aerogel é um dos materiais de nano-isolamento que tem uma condutividade térmica baixa à pressão

atmosférica, tirando partido do efeito de Knudsen, podendo ser fabricado com estrutura granular ou monolítica.

Os aerogéis comuns têm tamanhos médios de poro entre 10 e 40 nm que lhes conferem notáveis propriedades

físicas, térmicas óticas e acústicas, em detrimento da resistência mecânica (material frágil) e do mau

desempenho quando em contacto com água.

Este material apresenta um elevado coeficiente de transmissão de radiação dentro da gama da luz visível,

tornando-o num ótimo material de isolamento para envidraçados, tanto na forma granular (translucido) como

monolítica (transparente), na Figura A.4, para além da sua aplicação como material de isolamento para fachadas

e coberturas. O aerogel também apresenta elevado desempenho como barreira acústica, com elevados níveis

de reflexão de ondas sonoras audíveis.

Figura A.4 – Aerogel transparente (esquerda) e placa de aerogel opaca (direita)

Devido à sua gama de propriedades óticas, dependentes do processo de produção, o aerogel pode ser usado no

isolamento térmico de envidraçados e elementos translúcidos, como exemplificado na Figura A.5, tirando partido

da sua transparência, ou em elementos opacos, como paredes, pavimentos ou coberturas. (Baetens, Jelle, e

Gustavsen, 2011; Schlanbusch, 2013)

vi

Figura A.5 – Exemplos de isolamentos térmicos com aerogel translucido (esquerda) e de isolamentos térmicos com placas

de aerogel opacas (direita)

A.1.4 VENTILAÇÃO NATURAL

A.1.4.1 Coletores de vento A ventilação através de coletores de vento tira partido do vento e do efeito de chaminé para promover a

ventilação natural num edifício. É vantajoso para edifícios de vários andares e com grandes áreas e requer uma

abertura na cobertura, como representado na Figura A.6. Este sistema promove um fluxo bidirecional com o

abastecimento e extração de ar num só ponto.

Figura A.6 – Representação de diferentes formas e dimensões de coletores de vento

Um coletor de vento pode capturar o vento ao nível da cobertura e direcioná-lo para o interior do edifício. O ar

é simultaneamente extraído proporcionando ventilação onde é necessária. O ar fresco é aspirado no lado de

barlavento e é direcionado para dentro do edifício. São utilizadas grelhas intempéries para proteger o interior

do edifício e válvulas de controlo de volume para moderar o fluxo de ar. O sistema apresenta várias geometrias

mas é normalmente dividido em quatro quadrantes que se tornam entradas de ar ou extratores de acordo com

a direção do vento, tornando o sistema menos vulnerável a mudanças de vento periódicas (Khan et al., 2008;

Saadatian et al., 2012).

A.1.4.2 Ventilador de turbina Um ventilador turbina é um extrator de ar impulsionado pelo vento. Um ventilador turbina inclui uma série de

pás verticais (lâminas curvas ou retas) embutidas numa matriz esférica ou cilíndrica montada sobre uma

estrutura com uma cúpula intempérie no topo, como representado na Figura A.7. Quando o vento sopra sobre

vii

o dispositivo as forças de sustentação e arrasto resultantes poem a turbina a girar. Esta rotação produz uma

pressão negativa no interior da turbina, que extrai o ar. O ar entra na turbina axialmente através de uma conduta

de extração e é então expelida radialmente. Na ausência de vento, um ventilador turbina promove a ventilação

tirando partido do efeito chaminé.

Este tipo de ventilação natural é muito eficiente na extração de ar quente de dentro dos edifícios sendo utilizada

como um sistema de ventilação completo juntamente com entradas de ar na fachada ou cobertura (Khan, Su,

and Riffat 2008; West 2001).

Figura A.7 – Funcionamento de um ventilador de turbina (esquerda) e ventiladores de turbina instalados em serie (direita)

A.1.4.3 Breathing wall A breathing Wall consiste num elemento de parede modular que faz uso de materiais fibrosos de isolamento

convencionais para criar um sistema de ventilação e filtração do ar natural para edifícios, em conjunto com as

propriedades isolantes dos materiais utilizados. Esta parede pode ser implementada em fachadas exteriores ou

divisórias interiores e permite a integração de sistemas de ventilação passivos ou ativos, e sistemas de

recuperação de calor, como representado na Figura A.8.

Figura A.8 – Componentes de uma parede modular Breathing Wall (esquerda) e Redução das emissões de CO2 devido à

construção de paredes (direita)

Esta nova abordagem para a construção de paredes que respiram forma a base para um sistema de ventilação

integrado onde o elemento construtivo conjuga as funções estruturais com as de um permutador de calor e as

de um filtro de poluentes atmosféricos. O ar exterior é aspirado para dentro do edifício, usando meios ativos

viii

e/ou passivos, e à medida que passa através dos painéis de parede é aquecido ou arrefecido, e filtrado de forma

muito eficiente.

A utilização de uma grande área de parede permite que a filtragem do ar ocorra para velocidades de fluxos baixa,

quando comparada com um filtro HEPA convencional. Assim o ar que sai do edifício é mais limpo do que aquele

que é utilizado para ventilar o edifício. Implementado esta tecnologia em larga escala, é possível criar ambientes

urbanos de autolimpeza, oferecendo benefícios significativos para os moradores e ajudando a combater a

poluição global.

O isolamento com recurso a fibras representa a opção mais atraente para uso em edifícios com isolamento

dinâmico, devido à sua eficiência e eficácia em baixa velocidade do fluxo de ventilação, ampla disponibilidade e

baixo custo.

É garantido o não entupimento deste sistema de filtragem e ventilação através do princípio da filtração em

profundidade que retém partículas tanto na espessura como na superfície do filtro. Papéis de filtro de celulose

e fibras de vidro são filtros de profundidade, sem poros definidos, que tiram partido da sua matriz de fibras

entrelaçadas para reter as partículas de dimensões inferiores a 0,01 mm e superiores a 10 mm na superfície e

partículas intermédias no seu interior.

Com um tempo de vida útil de 60 anos estes painéis de parede conseguem uma eficiência de filtração na ordem

dos 99%, podendo ser utilizados em construção nova ou reabilitação de edifícios residenciais e comerciais. Para

além da filtragem do ar estes módulos funcionam também como um mecanismo de recuperação de calor,

contribuindo para a ventilação natural de edifícios, com qualidade de ar interior superior e menores gastos

energéticos associados a ventilação e aquecimento/arrefecimento ( Imbabi e Peacock, 2003; Imbabi, 2006; Zhao

et al., 2011).

A.1.5 SISTEMAS ÓTICOS DE ILUMINAÇÃO NATURAL

A.1.5.1 Betão translúcido Betão translúcido, ou betão transmissor de luz, é um material de construção com base de betão com

propriedades de transmissividade de luz, recorrendo a elementos óticos de luz embutidos, geralmente fibras

óticas, tornando possível a transmissão de luz de uma extremidade à outra do elemento de betão, representado

na Figura A.9. As fibras têm que ser embutidas no material e permanecerem paralelas entre sim e

perpendiculares à face da peça de betão. Isto resulta num determinado padrão de luz na outra superfície que

depende da estrutura e do diâmetro da fibra, que varia entre 2 µm e 2mm.

O Betão translúcido é usado com fins arquitetónicos, como um material de fachada e de revestimento de paredes

interiores. A principal vantagem desta tecnologia é a capacidade de permitir a entrada de luz natural em

elementos de fachada monolíticos e promover o melhor aproveitamento da luz natural no interior de edifícios

quando aplicado a paredes divisórias.

ix

Figura A.9 – Exemplo de betão translucido e das suas propriedades óticas (Litracon, 2013)

A produção de betão translucido baseia-se num betão leve de agregados finos (95%) e apenas 5% de fibras

condutoras de luz, que são adicionados durante o processo de cofragem. Estes elementos de betão são então

cortados em peças com as dimensões máximas de 2 m. (litracon 2010)

A.2 VALORES UTILIZADOS NA DESCRIÇÃO E ANÁLISE DAS TECNOLOGIAS E SOLUÇÕES Os valores utilizados na descrição e análise das várias tecnologias e soluções apresentadas resultam de uma

exaustiva pesquisa online por fabricantes e construtoras nacionais e internacionais.

Os valores definidos para os custos unitários das várias tecnologias e materiais devem ser vistos como indicativos

e surgem na forma de um intervalo, pois dependendo do fabricante e da localização do edifício verifica-se uma

variação do preço das matérias-primas, processos de produção, mão-de-obra e transporte.

Os valores definidos para o tempo de execução, custo e produção de resíduos dos vários métodos construtivos

analisados resulta da consulta do software “cype”, no caso da construção convencional e da pré-fabricação, e da

bibliografia consultada no caso da fabricação avançada, e construção modular.

Os valores definidos para a transmitância térmica, fluxo luminoso e caudal de ventilação resultam da consulta

de tabelas técnicas de alguns fabricantes deste tipo de soluções, estando carentes de ensaios independentes.

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