I&D.

Enquadramento

Desenvolvimento de uma solução de fachada sustentável que consista num sistema modular com capacidade de acumular múltiplas funções e apresentar múltiplas configurações.

Com o projeto Slimframe PV & Cork Skin pretende-se desenvolver uma solução tipo kit de fachada sustentável que consista num sistema modular com capacidade de acumular múltiplas funções e apresentar múltiplas configurações, integrando isolamento térmico em cortiça (ICB) e vidro fotovoltaico (PV) fixo por mecanismos inovadores. Serão alvo de desenvolvimento no projeto mecanismos de fixação do vidro ao elemento de suporte (parede) que garantam a ausência de perfis de caixilharia, contribuindo para a esbelteza do aspeto final da fachada (slimframe). Desta forma fica assegurada, pelo conhecimento e capacidade instalada do promotor, que este sistema de fixação atinja um grau de sofisticação e inovação acima do estado da arte, com vantagens de integração arquitetónica e técnica: medidas pelo nível de ocultação dos seus elementos e cablagens do PV e pelo desempenho físico (térmico, estanqueidade, mecânico).

Pretende-se que o sistema de fachada confira simultaneamente características de isolamento com baixo impacto ambiental e de aproveitamento passivo e ativo de energia solar. Assim, o principal objetivo do projeto é o desenvolvimento de uma solução de fachada multifuncional com características térmicas e energéticas otimizadas, ajustada aos requisitos técnicos e climáticos de diferentes localizações no espaço europeu. O sistema terá como principais atributos: (1) o uso de vidro PV com recurso à tecnologia de silício amorfo (vantajoso pelo captação eficiente da energia); (2) o aproveitamento do ar que circula na caixa-de-ar entre o vidro PV e a camada de isolamento ICB para benefício da qualidade do ar e conforto higrotérmico no interior do edifício, bem como para a redução das necessidades energéticas de climatização (sistema passivo de aquecimento e arrefecimento do ambiente interior); (3) a utilização de uma interface de fixação oculta do vidro PV ao suporte (paramento) com corte térmico e com a capacidade de ocultar as cablagens do sistema fotovoltaico; (4) a aplicação de isolamento térmico 100% natural e reciclável, com desenho e corte 3D parametrizado e personalizável, que otimiza o desempenho térmico integral e incorpora uma estética inovadora; (5) a flexibilidade inerente a um sistema que pode apresentar módulos com configurações distintas conforme a aplicação desejada, podendo estes incorporar revestimento final de cortiça à vista, vidro ou vidro PV, e que pode ser aplicado tanto a construções novas como a ações de reabilitação.

Objetivo Principais

Com o objetivo de oferecer um sistema de fachada com características de isolamento e de aproveitamento de energia solar, o consórcio propõe-se a desenvolver uma solução que incorpore a utilização de isolamento em aglomerado de cortiça expandida em conjunto com vidro (com possibilidade de integração de células fotovoltaicas), com particular atenção ao desenvolvimento do mecanismo de fixação do vidro ao suporte (paramento), para que este efetue o corte térmico e tenha a capacidade de integrar e ocultar as cablagens do sistema fotovoltaico. Prevê-se que o aproveitamento da energia solar seja realizado através de um sistema ativo de produção de energia com recurso a vidros fotovoltaicos (PV), mas que também possa ser feito de forma passiva, através da integração de um sistema de ventilação de aproveitamento do ar proveniente do espaço entre o vidro e o isolamento.

O desenvolvimento da solução proposta requer uma abordagem estratégica que incidirá nos seguintes pontos:

• Definição das exigências e requisitos a cumprir pelo sistema construtivo a desenvolver;
• Conceção do sistema e definição do modo de aplicação;
• Identificação e caracterização do “target” comercial, nomeadamente no que concerne a tipologias, localizações e naturezas construtivas dominantes associadas (nomeadamente dependentes das caraterísticas dos países para os quais se potencie a exportação);
• Desenvolvimento de mecanismos de fixação do vidro ao suporte com corte térmico e soluções para integrar e ocultar os cabos (definição de todos os acessórios necessários);
• Seleção adequada de vidros e sistemas fotovoltaicos: tecnologia e gama de dimensões;
• Estudo de diferentes geometrias 3D de isolamento térmico em aglomerado de cortiça expandida de forma a melhorar o seu comportamento térmico e as suas características estéticas;
• Definição do sistema de ventilação a incorporar no sistema construtivo que garanta um contributo efetivo na qualidade do ar e no conforto higrotérmico do ambiente interior (contribuindo para a redução das necessidades energéticas de climatização através do aquecimento e arrefecimento passivo do ar);
• Desenvolvimento e aplicação de modelos numéricos para a avaliação do desempenho térmico e energético do sistema e sua otimização (modelos de regime permanente e transiente);
• Estudo de rentabilidade económica com base em edifícios de referência para definir a espessura de isolamento térmico e criar uma referência de custo para a solução;
• Estudo e caracterização experimental das soluções dos mecanismos de fixação em laboratório;
• Avaliação do ciclo de vida do sistema;
• Execução de uma detalhada campanha laboratorial de caracterização física e mecânica do sistema construtivo global, complementada com simulações numéricas do seu comportamento em uso/após instalação; dar-se-á especial atenção ao desempenho térmico, energético, acústico, mecânico e durabilidade do sistema (minimização de riscos de condensação, etc.);
• Realização de campanha de medições in situ para avaliação do comportamento térmico e acústico, assim como o contributo efetivo na qualidade do ar interior e desempenho energético do edifício;
• Divulgação dos resultados e promoção do produto e lançamento da comercialização (nacional e internacional).

Atividades do Projecto e Resultados Esperados

A.1.  Estudos preliminares e definição do sistema

Pretende-se com esta atividade obter/sistematizar os novos conhecimentos com vista ao desenvolvimento do novo produto, de forma a:

• Preparar as bases necessárias ao desenvolvimento dos mecanismos de fixação na Atividade 2;
• Identificar as exigências e requisitos funcionais que o produto final terá de cumprir;
• Identificar os produtos de referência comercializados no mercado nacional e internacional (ou sob investigação);
• Identificar e caracterizar o mercado alvo e definir a estratégia de marketing a seguir para a obtenção de um produto economicamente viável;
• Identificar as componentes do sistema e definir a abordagem de aplicação/execução em obra.

A.2.  Desenvolvimento do mecanismo de fixação dos vidros

A execução da atividade permitirá a aquisição aplicação de novos conhecimentos e capacidades úteis ao desenvolvimento do novo produto. São objetivos:

• Identificar condicionantes, requisitos e potenciais problemas na conceção e no fabrico da interface de fixação dos vidros ao suporte;
• Definir a tipologia, os mecanismos e metodologias de instalação, as características geométricas e os materiais empregues nos componentes do interface de fixação dos vidros;
• Produzir protótipos dos componentes do mecanismo de fixação dos vidros;
• Avaliar o comportamento térmico do mecanismo de fixação dos vidros;
• Avaliar o comportamento mecânico do mecanismo de fixação dos vidros.

A.3.  Avaliação do desempenho global e otimização do sistema

São objetivos desta atividade:

• Atualizar a definição do sistema construtivo com base nos resultados;
• Avaliar o comportamento térmico da solução de fachada;
• Avaliar a contribuição do sistema passivo de aproveitamento do ar;
• Avaliar a influência da solução de fachada no desempenho energético global e na qualidade do ar dos ambientes interiores em edifícios;
• Avaliar os impactes ambientais associados ao produto numa perspetiva de ciclo de vida;
• Avaliar a rentabilidade económica da solução de fachada face a soluções equiparáveis (fachada cortina PV) tanto em construção nova como em reabilitação;
• Avaliar o comportamento mecânico do sistema construtivo global (incorporando PV e isolamento);
• Otimizar a solução de fachada tendo em conta simultaneamente a perspetiva térmica, energética, ambiental e mecânica.

A.4.  Campanha de validação experimental

É objetivo desta atividade a utilização de conhecimentos e técnicas de carácter científico e tecnológico, nomeadamente ensaios normalizados, para caracterização da solução. Engloba tarefas relacionadas com a:

• Identificação e conceção de protótipos destinados à execução de testes e ensaios;
• Caracterização física, mecânica e de durabilidade do sistema;
• Conceção de protótipo demonstrador à escala real, devidamente instrumentado.
• Caracterização do desempenho da solução in situ para avaliar e validar a solução final.

A.5.  Disseminação de resultados e promoção

• Nesta atividade pretende-se trabalhar na difusão dos resultados do projeto, promoção comercial do produto final junto dos mercados-alvo e no registo de patente do sistema.

Principais Resultados Alcançados

• Rapidez de montagem | O sistema de cabos permite um rápido alinhamento do sistema reduzindo o tempo de montagem do sistema.
• Facilidade de substituição de vidros | O mecanismo de fixação de vidros permite a substituição de vidros de forma isolada (sem necessidade de remoção dos vidros vizinhos).
• Inclui sistema de fixação de aglomerado de cortiça expandida | O sistema é adaptável a diferentes espessuras de isolamento térmico, permitindo obter-se o coeficiente de transmissão térmica desejado.
• Adequado a obras novas e de reabilitação
• Fração envidraçada superior a 98%
• Pontes térmicas desprezáveis
• Aplicável a edifícios até 30 m de altura | O sistema foi dimensionado para oferecer resistência às ações de vento regulamentares para edifício com altura até 30 m.
• Possibilidade de instalação de vidros fotovoltaicos | Um sistema com 12 m2 na região centro de Portugal pode produzir 685 kWh/ano.
• Menor impacto ambiental | Mecanismo de fixação pontual de vidros apresenta menor impacto ambiental face a um sistema convencional:

Lista de Comunicações

Joana Prata, Nuno Simões, António Tadeu (2016) "HEAT TRANSFER MEASUREMENTS OF A WOOD BUILDING CORNER", IAHS 2016, Algarve.

Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2016) "BUILDING SOLUTIONS INCORPORATING MEDIUM DENSITY EXPANDED CORK AGGLOMERATE", IAHS 2016, Algarve.

Nuno Simões, D. Teles, Catarina Serra (2016) "PORTUGUESE PASSIVE HOUSE CASE STUDY: A COMPARISON BETWEEN MONTHLY AND SEASONAL ENERGY PERFORMANCE METHOD", Energy Production and Management in the 21st Century II. Vol. 205, pp. 167-178.

Nuno Simões, Joana Prata, António Tadeu (2017) “HEAT TRANSFER THROUGH THERMAL BRIDGES: COMPARISON BETWEEN BEM MODEL AND EXPERIMENTAL RESULTS”, International Conference on Computational & Experimental Engineering and Science - ICCES2017, 26-30 June 2017, Funchal, Madeira, Portugal.

Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2017) "THERMAL BEHAVIOR OF A COATING MADE BY EXPANDED CORK FOR DIFFERENT CLIMATIC CONDITIONS". EFS 2017, 8-10th February, Funchal, Madeira, Portugal.

Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2017) “THERMAL DYNAMIC BEHAVIOUR OF BUILDING SOLUTIONS COATED WITH MEDIUM DENSITY EXPANDED CORK BOARD”, Congress on Numerical Methods in Engineering - CMN2017, 3?5 July, 2017, Valencia, Spain.

Nuno Simões and Luis Melo (2017) “THERMAL SIMULATION OF VENTILATED SOLAR WALLS INCORPORATING PHOTOVOLTAICS” Congress on Numerical Methods in Engineering - CMN2017, 3?5 July, 2017, Valencia, Spain.

Nuno Simões, Luis Melo and Catarina Serra (2017) "COMPARISON BETWEEN A DYNAMIC SIMULATION MODEL OF A SOLAR AIR HEATER AND EXPERIMENTAL MEASUREMENTS". 12th Conference on Advanced Building Skins. 2 e 3 de Outubro 2017. Berna, Suíça.

Flávio Rito, Nuno Simões, Eliana Silva, Joana Prata - "Estudo de otimização energética de perfil de caixilharia em madeira". CLBMCS 2018, Coimbra, Portugal, 14-16 February, 2018.

Lista de Publicações

Artigos científicos publicados em revistas internacionais

• F. Wanga, W. Chen, A. Tadeu, C. G. Correia, (2017) - "Singular boundary method for transient convection–diffusion problems with time-dependent fundamental solution". International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 114, pp. 1126–1134.
• J. Prata, N. Simões, A. Tadeu (2018) – “Heat transfer measurements of a Linear Thermal Bridge in a wooden building corner". Energy and Buildings, vol. 158, pp. 194-208.
• Tadeu S., Tadeu A., Simões N., Gonçalves M., Prado R. (2018) - "A sensitivity analysis of a cost optimality study on the energy retrofit of a single-family reference building in Portugal". Energy Efficiency, Issue: Preprints, pp 1-22.

Atas de conferências, congressos, seminários

• Joana Prata, Nuno Simões, António Tadeu (2016) "HEAT TRANSFER MEASUREMENTS OF A WOOD BUILDING CORNER", IAHS 2016, Algarve.
• Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2016) "BUILDING SOLUTIONS INCORPORATING MEDIUM DENSITY EXPANDED CORK AGGLOMERATE", IAHS 2016, Algarve.
• Nuno Simões, D. Teles, Catarina Serra (2016) "PORTUGUESE PASSIVE HOUSE CASE STUDY: A COMPARISON BETWEEN MONTHLY AND SEASONAL ENERGY PERFORMANCE METHOD", Energy Production and Management in the 21st Century II. Vol. 205, pp. 167-178.
• Nuno Simões, Joana Prata, António Tadeu (2017) “HEAT TRANSFER THROUGH THERMAL BRIDGES: COMPARISON BETWEEN BEM MODEL AND EXPERIMENTAL RESULTS”, International Conference on Computational & Experimental Engineering and Science - ICCES2017, 26-30 June 2017, Funchal, Madeira, Portugal.
• Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2017) "THERMAL BEHAVIOR OF A COATING MADE BY EXPANDED CORK FOR DIFFERENT CLIMATIC CONDITIONS". EFS 2017, 8-10th February, Funchal, Madeira, Portugal.
• Rosário Fino, Nuno Simões, António Tadeu (2017) “THERMAL DYNAMIC BEHAVIOUR OF BUILDING SOLUTIONS COATED WITH MEDIUM DENSITY EXPANDED CORK BOARD”, Congress on Numerical Methods in Engineering - CMN2017, 3?5 July, 2017, Valencia, Spain.
• Nuno Simões and Luis Melo (2017) “THERMAL SIMULATION OF VENTILATED SOLAR WALLS INCORPORATING PHOTOVOLTAICS” Congress on Numerical Methods in Engineering - CMN2017, 3?5 July, 2017, Valencia, Spain.
• Nuno Simões, Luis Melo and Catarina Serra (2017) "COMPARISON BETWEEN A DYNAMIC SIMULATION MODEL OF A SOLAR AIR HEATER AND EXPERIMENTAL MEASUREMENTS". 12th Conference on Advanced Building Skins. 2 e 3 de Outubro 2017. Berna, Suíça.
• Flávio Rito, Nuno Simões, Eliana Silva, Joana Prata - "Estudo de otimização energética de perfil de caixilharia em madeira". CLBMCS 2018, Coimbra, Portugal, 14-16 February, 2018.

Dissertações de mestrado

• Luís Eduardo Reis Flórido de Melo "Avaliação de desempenho de um sistema passivo de aquecimento integrando vidro fotovoltaico" Dissertação de mestrado apresentada para obtenção do grau de Mestre em Energia na especialidade de Edifícios e Ambiente Urbano sob orientação do prof. Doutor Nuno Simões.
• Pedro Couceiro Dias de Carvalho. "Caracterização do desempenho térmico de soluções construtivas sujeitas a um regime de transferência de calor dinâmico". Dissertação em Construções sob orientação do prof. Doutor Nuno Simões e Doutora Inês Simões.
• Armando Ramos. "Medidas de Reabilitação Térmica em Habitações: Impacto na Energia e no Conforto". Dissertação de Mestrado em Eficiência Acústica e Energética para uma Construção Sustentável, no Ramo de Energia e Ambiente Interior sob orientação do prof. Doutor Nuno Simões.

Tese de doutoramento

• Joana Prata. "Dynamic behaviour of linear and point thermal bridges of buildings – numerical and experimental simulations". Tese para obtenção do grau de Doutor sob orientação do prof. Doutor António Tadeu e prof. Doutor Nuno Simões

Publicações em revistas nacionais da especialidade

• Revista Energia e Ambiente, número 110, Março e Abril de 2017
• Rosario Fino, Nuno Simões e Carlos Manuel (2017) “Secagem do MDFachada: avaliação numérica e experimental”. Construção Magazine, número 78, Março/Abril 2017.
• Revista Edifícios, nº 120, Novembro e Dezembro de 2018.

Presença em feiras

• 19ª edição da Tektónica – Feira Internacional da Construção e Obras Públicas, Lisboa
• 100 % Design, 20-23 de Setembro de 2017, Londres
• BAU 2017, 16-21 de Janeiro, Munich
• London Build 2018, 23-24 de outubro, Londres