Characterization and energy performance optimization of prefabricated facade renovation modules of the Eng. Mota Pinto Building

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia CivilGrande parte do parque edificado português foi construído há décadas, quando ainda não existiam medidas regulamentares relativas ao desempenho térmico dos edifícios, tornando esta parcela de edifícios os maiores consumidores de energia. Nos dias de hoje, dado esse grande consumo, o sector da construção definiu estratégias de sustentabilidade como uma das suas grandes prioridades, existindo uma crescente valorização da promoção da eficiência energética dos edifícios pelos agentes da construção e do imobiliário, estendendo-se também aos utilizadores dos edifícios, que são os que mais vantagens poderão ter. A necessidade de melhorar a eficiência energética dos edifícios, aliada à estagnação da construção de edifícios novos, devido à crise económica que Portugal enfrenta, potencia a necessidade de intervir nos edifícios existentes. A presente dissertação tem como principal objetivo a caracterização e otimização do desempenho térmico de módulos prefabricados para reabilitação energética de fachadas de edifícios residenciais. A solução analisada neste estudo apresenta vantagens a nível térmico, económico, de facilidade de aplicação e possibilidade de integração de painéis solares fotovoltaicos. O comportamento térmico da solução desenvolvida (primeiro protótipo) foi observado experimentalmente em laboratório. Os resultados experimentais permitiram a validação de um modelo numérico, recorrendo à ferramenta de simulação ANSYS, para o estudo de soluções futuras sujeitas a processos de otimização (segundo protótipo). Para demonstração das suas potencialidades, simulou-se a aplicação do módulo a um caso de estudo – edifício de habitação multifamiliar localizado em Vila Nova de Gaia – e avaliou-se o desempenho térmico do edifício antes e após a intervenção de reabilitação, com recurso à metodologia definida na regulamentação térmica nacional (REH). Avaliou-se ainda o contributo de energias renováveis recorrentes da integração de painéis solares fotovoltaicos nos módulos através da ferramenta de simulação PVGis. Como resultado deste estudo obteve-se uma solução modular otimizada para reabilitação de fachadas, com um coeficiente de transmissão térmica reduzido em 45 % em relação ao primeiro protótipo, com uma distribuição de temperaturas superficiais constantes ao longo de todo o módulo e com um sistema de fixação que garante um isolamento exterior da fachada contínua. A aplicação da solução ao edifício em estudo, com os painéis solares fotovoltaicos integrados nos módulos da fachada orientada a sul, permitiu reduzir em 28 % as necessidades nominais globais de energia primária em relação à situação inicial.The majority of the Portuguese building stock was built decades ago, when there were still no regulatory procedures regarding the thermal performance of buildings, which place these buildings as the largest energy consumers. In order to tackle the high energy consumption of the building stock, the construction sector has recently defined sustainability strategies as one of its top priorities, with an increasing concern about the promotion of the energy efficiency of buildings by the construction and real estate agents, and by the users of buildings, which can become the most benefited ones. The necessity to improve the energy efficiency of buildings along with the stagnation in the construction of new buildings, owing to the economic crisis that Portugal has been facing, increases the need to intervene in existing buildings. The present dissertation has the main objective of characterizing and optimizing the thermal performance of prefabricated modules for energy renovation of residential building facades. The solution analysed in this study offers advantages at the thermal and economical levels, along with high simplicity and possibility of integration of photovoltaic solar panels. The thermal behaviour of the developed solution (first prototype) was observed experimentally in the laboratory. The experimental results allowed the validation of a numerical model, using the ANSYS simulation tool, for the study of future solutions subjected to an optimization process (second prototype). In order to demonstrate its potential, the application of the module to a multi-family building in Vila Nova de Gaia was simulated and the thermal performance of the building, before and after the intervention, was evaluated using REH. The contribution of renewable energies due to the integration of photovoltaic solar panels in the modules was also investigated through the PVGis simulation tool. As a result, a modular solution optimized for facade renovation was developed which presents a thermal transmittance value reduced by 45 % compared to the first prototype, a constant surface temperature distribution throughout the module, and a fixation system that ensures an external insulation of the continuous facade. The application of this solution to the building under study, with integrated photovoltaic solar panels in the south facing modules, allowed reducing the nominal global primary energy needs by 28 % relative to the initial situation