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Desempenho Térmico de edificações Aula 10: Eficiência energética em janelas
PROFESSORES
Roberto Lamberts
Deivis Luis Marinoski ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS Unidade deportiva Atanasio Girardot - Medellín
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Desempenho térmico
estru
tura
Tecnologias disponíveis
Eficiência energética introdução
2 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
P & D novos produtos
+ Importância + Histórico + Características
+ Fechamento + Fluxo de calor + Propriedades + Radiação solar + Exemplo
+ Vidros duplos; + Vidros e filmes múltiplos + Vidros tingidos + Vidros e filmes reflexivos + Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas + Gás de baixa condutividade + Espaçadores termicamente melhorados + Materiais para esquadrias e para vedação
+ Impacto no consumo de energia
+ Novas tecnologias
Janelas no Brasil
Seleção de janelas
Certificação e Selagem
+ NFRC + Considerações principais
+ Normas + Mercado + Brasil x Exterior
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3 3 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Importância das janelas para a edificação
“Janelas são os olhos da casa”
Controle da entrada de luz e do
fluxo de ar;
Contato visual;
Proporcionam isolamento,
segurança e privacidade;
Atribuem estética e beleza ao projeto;
Influenciam no consumo de energia da edificação;
+ Importância + Histórico + Características
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Um breve histórico In
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•As casas primitivas não tinham janelas;
•Um buraco para saída de fumaça pode ser considerado como sendo a primeira forma de janela;
•A saída de fumaça melhorava a qualidade do ar interno;
•Este buraco proporciona entrada de luz, mas também a perda de calor;
•Uma folha de fechamento - transformando a janela em uma espécie de
segunda porta;
Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
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5 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Um breve histórico
•Uma abertura na parede - poderia tanto ser aberta para entrada de ar e
luz, ou fechada para segurança e proteção;
•A primeira janela de vidro transparente foi usada nos tempos romanos;
•No século XVII a produção de chapas de vidro é tem um grande desenvolvimento na França;
•A partir do século XIX muitas inovações foram vistas e
disponibilizadas para o público em geral (vidros maiores, mais resistentes, de maior qualidade);
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6 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
•Edificações usavam essencialmente um tipo de vidro: o
vidro claro de pano único;
•Anos 50 – Inglaterra: técnica de produção
de vidro “float”;
•Nos anos de 1965 à 1990: um grande avanço tecnológico
com o aumento da qualidade das superfícies e melhora da isolação.
Um breve histórico In
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Pode-se considerar três tipos de fluxo de energia através das janelas como sendo principais:
• Perdas e ganhos de calor (não solar) na
forma de condução, convecção e radiação;
•Ganho de calor solar na forma de
radiação;
•Trocas de ar (ventilação e infiltração).
Características energéticas das janelas
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8 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
DES
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ENH
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S
+
+ Fechamento transparentes + Fluxo de calor em janelas + Propriedades térmicas + Radiação solar + Exemplo
As principais trocas térmicas em uma edificação acontecem geralmente nas janelas, claraboias, ou outro elemento transparente da arquitetura;
Entre as formas trocas térmicas da edificação com o meio externo por condução, por convecção e por radiação, está última se diferencia dos processos observados em superfícies opacas devido à parcela de radiação que é transmitida para o ambiente, descrita pela propriedade transmissividade do vidro.
Fechamentos transparentes
Radiação transmitida, refletida e absorvida pelo vidro. Fonte Lamberts et al, 2014
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9 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Do balanço térmico, temos:
Fluxo de calor através da janela
Radiação
transmitidaRadiação
refletida
Radiação
Solar
incidente (RS)
Condução e irradiação
após a absorção
a.RS/2
t.RS
r.RS
a.RS/2
Radiação solar em superfícies transparentes
α × RS + ρ × RS + σ × RS = RS
α + ρ + σ = 1
Onde: é a absortividade do vidro; é a refletividade do vidro; é a transmissividade do vidro.
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10 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Fluxo de calor através da janela
q = U × Text + α × RS × Rse − Tint + α × RS
q = U × Text − Tin) + (U × α × Rse + α × RS
q = U × Text − Tin + FS × RS
O fluxo de calor que atravessa a janela é dado por:
Onde: U é a transmitância térmica; Rse é a resistência superficial externa; RS é a radiação solar incidente; FS é o fator solar.
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11 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Propriedades térmicas do vidro
Comportamento térmico de alguns vidros segundo RIVERO (1986)
Tipo de vidro
Comum 0,85 0,07 0,08
Absorvente claro 0,52 0,41 0,07
Absorvente médio 0,31 0,63 0,06
Absorvente escuro 0,09 0,86 0,05
Refletor médio 0,25 0,42 0,33
Refletor escuro 0,11 0,42 0,47
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12 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Propriedades térmicas do vidro
Fator solar para alguns tipos de superfícies transparentes. Fonte LAMBERTS et al (2014). In
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13 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Fator solar para alguns tipos de proteções solares segundo LAMBERTS et al (2014)
Propriedades térmicas do vidro In
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14 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Anexo geral v do RAC
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Anexo geral v do RAC Propriedades térmicas do vidro
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Anexo geral v do RAC
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17 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Radiação solar incidente em planos verticais e horizontais para o dia 22 de dezembro na latitude 30° Sul segundo FROTA & SCHIFFER (1995)
Radiação solar
Orientação Radiação solar (W/m2) 6h 7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h
Sul 142 188 143 78 63 68 65 68 63 78 143 188 142
Sudeste 330 563 586 502 345 116 65 68 63 58 50 43 25
Leste 340 633 715 667 517 309 65 68 63 58 50 43 25
Nordeste 165 357 456 475 422 311 146 68 63 58 50 43 25
Norte 25 43 50 58 117 170 179 170 117 58 50 43 25
Noroeste 25 43 50 58 63 68 146 311 422 475 456 357 165
Oeste 25 43 50 58 63 68 65 309 517 667 715 633 340
Sudoeste 25 43 50 58 63 68 65 116 345 502 586 563 330
Horizontal 114 345 588 804 985 1099 1134 1099 985 804 588 345 114
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18 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Determine a densidade de fluxo de calor máximo (considerando latitude 30° sul) para uma janela orientada para oeste, com vidro transparente comum 3 mm (U=5,8 W/m²K), sem proteção, com veneziana, com persiana fechada e com persiana inclinada 45°. Considere a temperatura externa em 33°C e a interna em 27°C
Exemplo
Dados: Orientação = oeste (latitude 30º sul) Pior situação de verão: 22/12, 16 h RS = 715 W/m² FS sem proteção= 0,87 FS com veneziana= 0,09 FS com persiana fechada= 0,54 FS com persiana inclinada 45°= 0,64
q = U × Text − Tin + FS × RS
q = 5,8 × 6 + FS × 715
q = 656,8 W/m²
q = 99,1 W/m²
q = 420,9 W/m²
q = 492,4 W/m²
(sem proteção)
(com veneziana)
(com persiana fechada)
(com persiana inclinada 45°)
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19 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
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LOG
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+ Vidros duplos; + Vidros e filmes múltiplos + Vidros tingidos + Vidros e filmes reflexivos + Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas + Gás de baixa condutividade + Espaçadores termicamente melhorados + Materiais para esquadrias e para vedação
Características:
•Aumento da resistência térmica
•Pequena redução da transmissão de luz
•Melhor desempenho térmico com espaço
igual a 12mm entre os panos quando preenchidos por ar
Aplicações:
•Construções com necessidades de aquecimento ou resfriamento (uso freqüente do ar-condicionado)
Vidros duplos
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20 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Aumento da resistência térmica (maior
que os vidros duplos)
•Menor condensação durante o inverno
•Visibilidade é reduzida com cada camada adicional
•Redução do Ganho de calor solar
•Problema: aumento da espessura da janela
Aplicações:
•Climas Frios (onde a redução da perda de calor é a prioridade)
•Climas bastante quentes
Vidros e filmes múltiplos In
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21 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Absorvedores de calor
•Menor transmissão de luz,
(tradicionais – bronze e cinza)
•Vidros com cores alternativas podem manter a passagem de luz (espectralmente seletivos – azul e verde)
Aplicações:
•Edificações comerciais •Climas quentes (redução do ganho de calor solar quando associados a outras tecnologias)
•Situações onde a redução do brilho do ambiente externo é desejável
Vidros tingidos In
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– Certificação
– Seleção – B
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22 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Redução do ganho de calor solar
•Redução da passagem de luz
•Problema: podem produzir efeito exterior de espelho
Aplicações:
•Edificações comerciais
•Climas quentes (redução do ganho de calor solar)
•Situações onde a redução da claridade é
desejável
Vidros e filmes reflexivos In
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– Certificação
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23 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Reflexão de radiação em onda longa (redução da perda de calor no inverno)
•Redução da ocorrência de condensação
•Reflexão da radiação solar (redução do ganho de calor no verão)
•Mantêm boa visibilidade
Aplicações:
•Climas frios: camadas de Baixa emissividade
•Climas quentes: camadas de seleção espectral
Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas
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24 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Camadas de baixa emissividade e espectralmente seletivas
Vidro claro
Alta Transmissividade
Espectralmente seletiva
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25 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Aumento da resistência (redução da
perda/ganho de calor por condução)
•Aumento Redução da ocorrência da condensação
•Não afeta a transmissão da luz visível
Aplicações:
•Climas frios onde a redução da perda de
calor seja a prioridade
Gás de baixa condutividade (Argônio, Kriptônio, hexafluoreto de enxofre e dióxido de carbono)
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26 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Características:
•Redução da perda de calor pela por condução
•Mantêm a temperatura mais elevada na borda
dos vidros reduzindo a condensação
Aplicações:
•Climas frios (onde a redução
da perda de calor é a prioridade)
Espaçadores termicamente melhorados In
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27 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Esquadrias: •Alumínio (thermal break)
•Alumínio com madeira
•Madeira e vinil (PVC)
•Vinil
•Fibra de vidro
Vedações:
•Mais duráveis e com melhor desempenho
Novos materiais para esquadrias e vedação In
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28 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
O aumento da eficiência das janelas gera influências a curto e longo prazo:
Custo Prazo:
• Melhoria do conforto;
• Redução do valor da conta de energia.
Longo Prazo (a nível nacional e global):
• Maior oferta de energia;
• Redução do custo da energia;
• Redução da emissão de poluentes e aquecimento global.
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Impacto no consumo de energia + Impacto no consumo de energia
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29 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Desempenho energético anual com diferentes tipos de janelas em 4 climas dos EUA (aquecimento)
1 Btu = 0,293 kWh Estação Fria
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30 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Desempenho energético anual com diferentes tipos de janelas em 4 climas dos EUA (aquecimento)
Estação quente
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31 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Para o EUA:
As janelas geram um custo adicional de energia de U$ 9,3 bilhões.
• Estima-se que se todas as janelas compradas de 1996 à 2010 (15 anos) incorporassem filmes de baixa emissividade, gás de baixa condutividade ou outras tecnologias disponíveis, esta conta poderia
ser reduzida em 25% ou seja mais de U$ 2 bilhões até 2010
(LBNL).
De maneira geral percebe-se:
• Um grande potencial de conservação de energia
• Fonte de suprimento sem grandes investimentos e impactos ambientais
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32 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
•Nos últimos anos tem ocorrido um grande progresso na melhoria da eficiência energética de janelas;
•Na década de 70 o uso de camadas especiais e gás de baixa condutividade ainda eram vistas como algo distante, no entanto hoje são produtos comuns;
•Tempo de pesquisa e desenvolvimento tem sido encurtado e a introdução do novos produtos no
mercado tem sido acelerada;
•É difícil dizer agora quais das muitas pesquisas de produtos que estão sendo realizadas hoje, irão encontrar lugar no mercado futuramente.
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Novas tecnologias + Novas tecnologias
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33 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
“SUPERWINDOWS”: Janela com todos os elementos
disponíveis para aumentar o isolamento
Características:
• Alta resistência térmica
• Reduz a perda de calor no inverno e ganhos no verão
• Visibilidade é significativamente diminuída com o adição do maior número de camadas
Aplicações:
• Climas frios (redução da perda de calor)
• Grandes áreas envidraçadas
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34 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
“COOL WINDOWS”: Janelas que admitem a passagem da luz visível enquanto
rejeitam grande parte do calor solar da porção infra vermelha.
AEROGEL: Material na forma de espuma, a base de sílica ( 4% sílica e
96% ar) com características de isolamento e transparência.
“SMART WINDOWS”: São janelas capazes de mudar dinamicamente suas
propriedades para controle da passagem de luz e fluxo de calor. Utilizam camadas microscopicamente finas que mudam suas propriedades em resposta a luz, calor e sinais elétricos.
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35 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
NFRC (National Fenestration Rating Council)
• Organização sem fins lucrativos, de parceria pública e privada, criada para a indústria de janelas, portas e aberturas dos EUA.
• Tem por objetivo principal fornecer informações precisas de desempenho
energético de janelas, portas e aberturas.
• Desde de seu início em 1989, o NFRC tem tido sucesso na análise e certificação do desempenho de aberturas residenciais.
Atualmente existem mais de 81 mil produtos cadastrados.
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36 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Sistema de selagem
O NFRC estabeleceu um sistema nacional voluntário de avaliação e selagem energética de aberturas. Este sistema
avalia as seguintes propriedades:
1. Transmitância térmica;
2. Coef. de ganho de calor solar (SHGC);
3. Transmissão de luz visível;
4. Infiltração de ar.
O NFRC não faz:
• Separação entre boas janelas e más janelas;
• Estabelecer padrões mínimos de desempenho.
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37 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Como é realizada a certificação?
O NFRC :
1. desenvolve padrões (normas) para que as avaliações dos produtos
ocorram de maneira uniforme;
2. revê e aprova ferramentas de simulação computacionais e
procedimento de testes para obtenção de avaliações térmicas precisas;
3. mantêm uma listagem de laboratórios qualificados para realizarem testes e simulações a fim de determinar o desempenho térmico dos produtos;
4. fornece os resultados para um agente independente avaliar e rever
a documentação, conduzir inspeções e aprovar a certificação e selagem;
5. licencia fabricantes a utilizarem os selos de certificação em seus
produtos.
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38 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Programas Computacionais para simulação
•WINDOWS
Programa realiza o cálculo de índices de desempenho térmico em janelas (Transmitância, SGHC, SC,VT). Este programa atende aos padrões da NFRC para realização de avaliação de produtos.
•RESFEN
Realiza o cálculo do consumo e o custo anual de energia para aquecimento e resfriamento devido ao sistema de aberturas. Também calcula a contribuição das janelas para o pico de carga de térmica.
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39 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Programas Computacionais para simulação
•THERM
Programa utilizado para análise bidimensional da transferência de calor em componentes de construção como: janelas, paredes, fundações, portas, tetos, etc.
•OPTICS
Programa para análise da propriedades óticas dos sistemas envidraçados.
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40 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Ce
rtificação e
selage
m
Quando um fabricante decide certificar seus produtos, ele os submete a uma avaliação mais precisa em relação ao desempenho energético. Isso ajuda tanto consumidores, projetistas, construtores bem como o próprio fabricante.
Benefícios:
• Consumidor: economia de energia e dinheiro;
• Projetista: especificação de produtos para minimizar a carga térmica de resfriamento e aquecimento, aproveitamento da luz natural;
• Construtores: proporcionar conforto e eficiência energética.
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41 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
O selo NFRC
• O selo NFRC tem a função de ajudar a determinar qual produto
apresenta melhor desempenho em relação ao aquecimento, resfriamento, isolação ao vento, resistência à condensação, etc.
• Com isso é possível compara os produtos e tomar a melhor decisão na hora
da compra.
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42 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Marca da NFRC
Nome do fabricante
Nome da agência independente
Descrição do produto
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43 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Transmitância:
(1 Btu/h/ft² °F = 5.678 W/m² °C)
Coef. Ganho de calor solar:
É a medida do calor solar que é transmitida para o interior do ambiente (valor entre 0 e 1)
Transmissão de luz:
É o percentual ou fração do espectro visível, sensível ao olho, que é transmitido pelo vidro (valor entre 0 e 1)
Infiltração de ar:
(1 cfm/ft² = 0,305 m³min/m²)
Valores adicionais de desempenho: Resistência a condensação (valor expresso entre 0 e 100)
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APARÊNCIA
• Tamanho e forma
• Estilo
• Materiais da esquadrias
• Tipos de Vidros
FUNÇÃO
• Iluminação natural
• Controle de luminosidade
• Conforto térmico
• Resistência a condensação
• Ventilação
• Controle sonoro
• Manutenção e durabilidade
PERFORMANCE ENERGÉTICA
• Propriedades energéticas básicas
• Desempenho durante os períodos quentes e frios
• Impactos no o pico de carga
• Potencial de manter a desempenho energético a longo prazo
CUSTO
• Custo inicial da janela e instalação
• Custo de manutenção
• Freqüência de substituição
• Custo inicial do sistema de aquecimento/resfriamento
• Custo anual de energia com aquecimento/resfriamento
?
Considerações principais + Considerações principais
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45 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
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Normas técnicas a serem consideradas em projetos de caixilharia
NBR 10821 - Caixilhos para edificação - Janelas - Especificação NBR 6485 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação da penetração de ar - Método de Ensaio NBR 6486 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação da estanqueidade à água - Método de Ensaio NBR 6487 - Caixilhos para edificação - Janela, fachada-cortina e porta externa - Verificação do comportamento quando submetido a cargas uniformemente distribuídas - Método de Ensaio
+ Normas + Mercado + Brasil x Exterior
No Brasil, projetistas, proprietários e construtores tratam com baixa prioridade a eficiência energética das aberturas
Normas
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46 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Jane
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Brasil
Lentidão no cumprimento das normas:
•Dificuldade de levar a informação a milhares de pequenos fornecedores e construtores.
•A mentalidade de muitos empresários que não investem em mudanças uma vez que o mercado continua fiel.
Problema: Desconhecimento técnico dos fabricantes:
•O mercado brasileiro é compartilhado por milhares de pequenas empresas espalhadas pelo país
Mercado
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47 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
•Esquadrias : Aço e madeira tem as linhas mais populares e preços
mais acessíveis.
•O setores PVC e alumínio são os setores mais organizados.
Estima-se:
Mercado
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48 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 10: Eficiência energética em janelas
Brasil x Exterior
1.Pesquisa, desenvolvimento, e uso de novas tecnologias estão bastante avançados no exterior, associada à uma preocupação com conservação de energia;
2.No Brasil o processo ainda está iniciando.
•Chegada de novas tecnologias (que precisam ser adaptadas a nossa realidade)
•Desenvolvimentos de Normas e padronizações
•Organização dos setor
•Conscientização
Intro
du
ção – D
esemp
en
ho
– Tecno
logia – EE – P
&D
– Certificação
– Seleção –
Brasil
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