Thermal, daylighting and energy performance of glazing systems with  solar control films

Júlia Oliveira Pereira

Informações chave

Autores:

Júlia Oliveira Pereira (Júlia Oliveira Pereira)

Orientadores:

Maria da Glória De Almeida Gomes (Maria da Glória De Almeida Gomes); António Heleno Domingues Moret Rodrigues (António Heleno Domingues Moret Rodrigues); Maria Manuela de Oliveira Guedes de Almeida

Publicado em

18/04/2022

Resumo

A utilização do vidro na construção tem tido uma expressão cada vez mais significativa, resultando em rácios de envidraçado na fachada muito elevados, especialmente em edifícios não residenciais. Esta tendência deve-se às boas características estéticas e óticas do vidro, que permitem a entrada de luz natural e visão para o exterior, podendo contribuir para poupanças de energia com iluminação. No entanto, os ganhos solares pelos envidraçados, especialmente em climas com verões quentes e prolongados, contribuem de forma significativa para as cargas térmicas de arrefecimento e podem originar problemas de sobreaquecimento e/ou encandeamento, perturbando o conforto e produtividade dos utilizadores. O objetivo principal deste trabalho consistiu no desenvolvimento de campanhas experimentais in-situ e de modelos para simulação energética de edifícios, que permitem avaliar o desempenho térmico, lumínico e energético de envidraçados de fachadas com películas de controlo solar (PCS). Para tal, foram selecionados gabinetes de escritórios em dois edifícios, tomados como casos de estudo da presente tese, onde a janela da fachada de um dos edifícios é constituída por um envidraçado simples incolor e o segundo por um envidraçado duplo com película de proteção térmica incorporada. Em ambos os edifícios foram selecionados gabinetes adjacentes para monitorização experimental de diversas variáveis que permitem a análise do desempenho térmico e lumínico e onde um deles permaneceu sem PCS (gabinete de referência) e nos restantes gabinetes foram instaladas PCS. A seleção de diversos gabinetes com características de geometria, constituição, orientação solar e ocupação idênticas, com e sem PCS instaladas no envidraçado da fachada permite uma análise das condições existentes do conforto térmico e visual e uma análise comparativa do efeito da aplicação de PCS. Para além disso, os dados recolhidos nas campanhas experimentais permitem calibrar modelos de simulação dinâmica dos escritórios através de um programa de simulação energética de edifícios (EnergyPlus), com o objetivo de realizar um estudo mais abrangente e completo sobre o efeito da aplicação de diversas PCS em janelas existentes de escritórios. Para além disso, foi analisado o desempenho ambiental e económico de três PCS diferentes que apresentaram o melhor desempenho na análise de simulação energética do ponto de vista térmico, lumínico e energético. Este estudo foi realizado considerando a aplicação destas PCS como um possível cenário de reabilitação na totalidade dos envidraçados do segundo edifício caso de estudo da presente tese. A mesma análise ambiental e económica foi também efetuada para um cenário de não reabilitação, mas de substituição total dos envidraçados existentes por um novo envidraçado com melhor desempenho térmico e lumínico. Por fim, foi realizado um estudo paramétrico onde se avaliou o desempenho térmico, visual e energético, e o desempenho global, de um gabinete típico do segundo edifício caso de estudo para diferentes orientações solares, tipo de envidraçado, clima e área de envidraçado na fachada. Façades of recent buildings, especially the commercial ones, have been built with a high window-to-wall ratio window-to-wall ratio, such as curtain walls, double-skin façades and skylights. Despite the appealing design from the aesthetic standpoint and allowing pleasant daylighting levels, this architectural trend can nevertheless give rise to thermal and luminous indoor discomfort problems. Solar gains through glazing systems, especially in climates with long and hot summers, contribute significantly to cooling loads and lead to overheating of indoor spaces and/or glare problems, disrupting users’ productivity. This work’s main objective was to evaluate the thermal, luminous and energy performance of glazing façades with solar control films (SCFs) through an experimental study conducted in situ and a building energy simulation approach using experimentally calibrated models. For this purpose, several office rooms were selected from two different buildings, which constitute the present doctoral thesis’s case studies. The first building has clear single glazing on the windows’ façade and the second one has double-glazing systems with a solar control coating incorporated. In both buildings, adjacent office rooms were selected to be monitored, where SCFs were installed on the glazing except in one office left with the original window without SCFs, which serves as a basis for comparison (reference office). The selection of several office rooms with identical geometry, constitution, solar orientation, and occupancy characteristics, with and without SCFs installed on the glazing, allows to assess the existing thermal and visual comfort conditions without SCFs and to perform a comparative analysis of the effects of the SCFs application on the indoor conditions. The experimental field data was also used to calibrate the geometrical models of the office rooms of both of the buildings in a well-established building energy simulation program (EnergyPlus) to perform a more comprehensive and thorough study on the impact of the window films’ application in existing windows of office spaces. An environmental and economic study was also performed for the three SCFs that showed the highest thermal, visual and/or energy performance. This study considered the application of the films as a retrofitting scenario of the existing glazing systems of the second building used as case study. The complete replacement of the existing windows with a new one was also analysed as an alternative scenario. Finally, a parametric analysis was performed to evaluate the thermal, visual and energy performance and the global performance of a typical second case study building office for different solar orientations, types of glazing, climate, and glazing area on the façade.