Reabilitação energética de um edifício de serviços: convergência para NZEB

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Análise da aplicação de um sistema domótico no desempenho térmico de frações autónomas de habitação face ao sistema de certificação energética: casos de estudo

A presente dissertação tem por finalidade compreender as vantagens da aplicação da domótica no comportamento energético de uma fração habitacional, e possível efeito na classificação energética do Sistema de Certificação Energética (SCE), tendo assentado na realização de simulações dinâmicas cuja modelação foi feita no software DesignBuilder, associado ao software EnergyPlus, na parte respeitante aos cálculos. Como forma de melhorar a qualidade de vida, reduzir o trabalho doméstico, aumentar o bem-estar e a segurança, foi criada a domótica que é responsável pela automação predial. O conceito de automação implica a integração da iluminação, eletrodomésticos, ar-condicionado, controlo de acessos, alarmes, sensores e sistemas de dados, voz e imagem de um edifício ou de uma fração autónoma, fazendo com que todos os seus componentes possam realizar ações em conjunto a fim de facilitar a vida dos seus utilizadores. A preocupação com a segurança, a gestão e o controlo, a redução de custos e o bem-estar trouxe os sistemas de automação para a sociedade. Esses sistemas divididem-se em dois grandes grupos: os subsistemas de supervisão e controlo das utilidades, que realizam o controlo das instalações elétricas, de arrefecimento e aquecimento, de instalações hidráulicas (águas sanitárias), de gás e o controle de elevadores; e os subsistemas de segurança, de proteção contra incêndio, contra intrusão e a monitorização visual centralizada (câmaras de vídeo-vigilância). Na construção de um edifício existe a preocupação cada vez maior na garantia do conforto aliado ao menor consumo de energia possível, isto é, a temperatura e a iluminação adequada para a realização de diferentes tarefas a efetuar, sem que implique um maior consumo. A regulação da temperatura interior da habitação, o controlo de luzes através de sensores e abertura de fecho dos dispositivos de sombreamento (persianas), através de domótica, permitirá o maior proveito da iluminação natural e a temperatura aos utilizadores da fracção em cada instante. Com tudo o que a domótica permite é necessário saber quais as vantagens e desvantagens na sua implementação. Com esta finalidade, realizou-se a análise baseada no RCCTE, de três apartamentos de um edifício, com a mesma tipologia mas com distintas orientações de envidraçados. Os apartamentos escolhidos no último piso do edifício. Posteriormente , optou-se por uma das fracções para o aprofundamento da análise e avaliação de implementação de sistemas domóticos de contolo de abertura/e fecho de dispositivos de oclusão de vãos para controlo dos ganhos solares e abertura e fecho dos vãos envidraçados para controlar as cargas térmicas por ventilação. Neste intuito, desenvolveu-se um modelo 3D com recurso ao software DesignBuilder, Energy Plus, em diferentes zonas climáticas, em regime dinâmico, por forma a contabilizar a diferença entre os fatores que não são quantificados através da análise feita pelo RCCTE. Após uma análise com as permissas incluídas no RCCTE (ventilação e factor solar), é imposto no DesignBuilder alguns aspetos da domótica, como a abertura/fecho de persianas/janelas obtendo-se para cada situação as perdas e ganhos através de cada elemento (envidraçados, necessidades de aquecimento e arrefecimento). Foi ainda elaborado um pequeno estudo da viabilidade económica da implementação de um sistema domótico.

Otimização de um sistema de "Free-Cooling" de uma instalação de climatização: incluindo a definição de um algoritmo de controlo de funcionamento

A utilização de equipamentos de climatização é cada vez mais frequente, e surgem novas tecnologias para aumentar a eficiência do processo, e neste caso, a opção da instalação de um sistema de Unidade de Tratamento de Ar com Economizador é a fundamental temática deste trabalho de dissertação. O “Free-Cooling” baseia-se na utilização total ou parcial do ar exterior para proceder à climatização de um espaço, quando se verificam as condições ótimas para o processo, e quando o sistema apresenta um controlador que permita gerir a abertura dos registos face à temperatura exterior e interior medida. A análise das condições exteriores e interiores é fundamental para dimensionar um Economizador. É necessário determinar o tipo de clima do local para fazer a seleção do tipo de controlo do processo, e recolher também, o perfil de temperaturas exterior para justificar a utilização de “Free-Cooling” no local. A determinação das condições interiores como a quantificação da utilização da iluminação, ocupação e equipamentos, é necessária para determinar a potência das baterias de arrefecimento ou aquecimento, e no caso de ser utilizado “Free-Cooling”, determinar o caudal de ar exterior a insuflar. O balanço térmico das instalações explicita todas as cargas influentes no edifício, e permite quantificar a potência necessária para climatização. Depois, adicionando o Economizador no sistema e comparando os dois sistemas, verifica-se a redução dos custos de utilização da bateria de arrefecimento. O desenvolvimento de um algoritmo de controlo é fundamental para garantir a eficiência do Economizador, onde o controlo dos registos de admissão e retorno de ar é obrigatoriamente relacionado com a leitura dos sensores de temperatura exterior e interior. A quantidade de ar novo insuflado no espaço depende, por fim, da relação entre a carga sensível do local e a diferença de temperatura lida entre os dois sensores.

Avaliação do potencial de arrefecimento passivo de um edifício de serviços

As tendências arquitectónicas actuais baseadas na adopção de extensas áreas de envidraçados e de construções com inércia térmica média a fraca resultam num risco acrescido de sobreaquecimento do ambiente interior dos edifícios, e no consequente aumento do consumo de energia para arrefecimento dos mesmos, tornando mais urgente a necessidade de estudar as melhores estratégias para contrariar esse aumento. A presente dissertação destinada à obtenção de grau de Mestre enquadra-se nesta temática e pretende avaliar o potencial de poupança eléctrica gerada por um sistema de arrefecimento passivo num edifício de serviços. Numa primeira fase, identificaram-se as diferentes estratégias de arrefecimento passivo que influenciaram o desempenho dos edifícios no passado e, comparando com edifícios dos nossos dias que com sucesso, aplicaram-se essas mesmas estratégias, demonstrou-se que podemos utilizar recursos da arquitectura vernacular nos edifícios contemporâneos. Posteriormente para avaliar o potencial de arrefecimento em edifícios de serviços para as condições climáticas portuguesas, realizou-se um estudo específico para um edifício real de serviços situado em Coimbra, e recorrendo-se ao software Autodesk Ecotect™, procedeu-se à análise energética da situação actual do edifício, conseguindo-se assim observar os pontos fortes e os pontos fracos do sistema existente. Com base na informação obtida foram testadas soluções a nível de climatização recorrendo à ventilação natural permitindo assim melhorar o desempenho do edifico. Novamente com o programa de cálculo Autodesk Ecotect™ e o Autodesk Green Building Studio™ foi possível fazer uma simulação destes cenários, e compará-los com os resultados da situação existente, podendo desta forma verificar o verdadeiro potencial de arrefecimento do edifício com as medidas propostas

Climatização passiva em edifício de serviços

Dissertação Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil no Ramo de Edificações

Auditorias energéticas: certificação energética de edifícios

O presente trabalho visa apresentar a correcta aplicação dos novos regulamentos energéticos na construção de novos edifícios. O edifício em análise trata-se de um Grande Edifício de Serviços (GES) e como tal encontra-se no âmbito do Decreto-Lei nº 79 de 4 de Abril de 2006 (RSECE). Foi efectuado uma análise dos requisitos térmicos do edifício verificando-se que o mesmo cumpre com os requisitos mínimos definidos no Decreto-Lei nº 80 de 4 de Abril de 2006 (RCCTE), tal como definido no RSECE. Posteriormente efectuou-se uma simulação dinâmica multizona do edifício através do software VisualDOE para efeitos de dimensionamento dos equipamentos de climatização. Esta simulação implicou calibrar o modelo segundo os parâmetros definidos pelo projectista de AVAC e teve como objectivo final estabelecer as potências máximas de aquecimento e de arrefecimento. Após a revisão do projecto de AVAC, e confirmação que o mesmo cumpre com os parâmetros exigidos no RSECE, foi realizada uma nova simulação multizona com o intuito de classificar o edifício segundo o descrito no Decreto-Lei nº 78 de 4 de Abril de 2006 (SCE). Para efeitos de registo do edifício na ADENE é obrigatório a existência de um Plano de Manutenção Preventiva (PMP) pelo que foi estabelecido, neste trabalho, quais os pontos essenciais que um PMP deve ter. Realizou-se, por último, uma nova simulação para determinar se eventuais alterações no projecto poderiam melhorar a classe energética do edifício.

Análise da aplicação do novo RCCTE a edifícios existentes construídos após 1990

Com este trabalho pretendeu caracterizar-se um conjunto representativo de edificações construídas a partir de 1990, à luz do novo Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios e avaliar o grau de exigência da nova legislação de regulamentação das características de comportamento térmico dos edifícios, Dec. Lei 80/ 2006 de 4 de Abril, face ao antigo regulamento o Dec. Lei 40/1990 de 6 de Fevereiro. Para o efeito foram analisadas duas moradias e dois edifícios de habitação colectiva, num total de 8 fracções autónomas, com o objectivo de posiciona-las no contexto da nova regulamentação face ao seu desempenho energético, e estudar a influência da exposição solar, do local de implantação, dos envidraçados, assim como o uso específico de determinados equipamentos de climatização e produção de águas quentes sanitárias no comportamento e desempenho energético de uma edificação.

Acompanhamento e caracterização do desempenho de uma UTA baseada em tecnologia DEC assistida por energia solar

Neste trabalho referiremos em particular a tecnologia do arrefecimento evaporativo com desumidificação prévia por exsicantes e far-se-á a apresentação da Unidade de Demonstração instalada no INETI (Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação) que faz uso dessa tecnologia que recorre a um sistema de captação de energia solar do tipo CPC (Colectores Parabólicos Compostos). Em funcionamento desde 1999, este sistema já sofreu várias alterações que serão referidas, realçando-se as que tiveram lugar mais recentemente, e serão apresentados alguns resultados entretanto obtidos. O funcionamento de todo o sistema foi acompanhado de perto, possibilitando assim, uma melhor compreensão do funcionamento do mesmo e, no caso de surgirem anomalias, actuar de imediato na tentativa de resolução. Para além da descrição dos componentes principais, modos de operação e alterações introduzidas, neste trabalho são apresentados e analisados os resultados obtidos nesta nova fase de funcionamento da UTA, após introdução de um humidificador na conduta de insuflação. Concluí-se que para períodos que antecedem e procedem o pico do Verão, esta unidade executa a sua função na perfeição apresentando valores de eficiência energética bastante favoráveis. Ao longo da estação fria, a captação de energia por parte dos colectores solares, possibilita o aquecimento dos espaços a climatizar.

Tecnologias de construção associadas aos sistemas sustentáveis de produção de água quente e de climatização em edifícios: estado da arte

Este trabalho apresenta o estado da arte das tecnologias de construção associadas aos sistemas sustentáveis de produção de água quente e de climatização em edifícios e pretende-se com o mesmo contribuir para a sustentabilidade na construção e para a eficiência energética nos edifícios. Efectuou-se um estudo aprofundado dos conceitos relacionados com a construção sustentável e a eficiência energética em edifícios, sendo apresentadas algumas das ferramentas mais utilizadas para avaliação da sustentabilidade, bem como métodos expeditos para obtenção da classe de eficiência energética. É feita a análise dos conceitos fundamentais da Arquitectura Bioclimática de edifícios, apresentando-se as estratégias passivas de aquecimento e de arrefecimento, as possibilidades de integração das energias renováveis nos edifícios e as tecnologias de construção associadas nos diversos contextos. Na energia solar térmica é dado especial destaque aos colectores para aquecimento de águas, aquecimento ambiente e arrefecimento solar. São ainda apresentados alguns exemplos de boas práticas em edifícios sustentáveis e energeticamente eficientes, com aplicação destas tecnologias

Verificação experimental do comportamento térmico de uma fachada de dupla pele com ventilação natural

Neste trabalho, avaliou-se o comportamento térmico de uma fachada de dupla pele com ventilação natural. A avaliação foi efectuada para uma célula de teste que permite adaptar várias configurações de fachada para a qual foram registados dados num determinado período de tempo através de um sistema de aquisição de dados. Os dados registados foram devidamente tratados e comparados para as diversas configurações. Para as configurações testadas, utilizaram-se dois parâmetros adimensionais que permitiram a comparação da capacidade de pré aquecer o ar (aplicável à estação de aquecimento) e de isolar dinamicamente (aplicável à estação de arrefecimento). Foram comparados os desempenhos da fachada quando a funcionar com os sistemas de sombreamento por persiana veneziana e por cortina têxtil. Em pré aquecimento, o fluxo de insuflação mostrou-se uma boa opção. Em isolamento dinâmico, a fachada retira o melhor partido do fluxo de extracção. Os resultados obtidos para os sistemas de sombreamento recaem a favor do sombreamento por persiana veneziana. As medições efectuadas na célula de teste vêm permitir futuros estudos de comparação com métodos de simulação numérica. Os resultados obtidos demonstram a sensibilidade das fachadas de dupla pele ao clima onde se inserem. Contudo, os resultados obtidos não demonstram por si só a veracidade do desempenho desta tecnologia no clima em Portugal.

Monitorização e caracterização de uma UTA com tecnologia exsicante-evaporativa assistida por energia solar de acordo com a metodologia definida no âmbito da AIE SHC task 38

A presente dissertação fundamenta-se na monitorização e análise de uma “Unidade de Tratamento de Ar” baseada em tecnologia exsicante evaporativa assistida por energia solar. Primeiramente é apresentado um conjunto de conceitos associados ao tema abordado, de modo a facilitar a compreensão dos fenómenos termodinâmicos envolvidos. Após a abordagem inicial que serve de consolidação, é feito o ponto da situação actual, quer em termos tecnológicos, quer em termos de instalações existentes. A etapa seguinte da dissertação descreve pormenorizadamente a instalação do LNEG e seus princípios de funcionamento, nesta fase também é contemplada a descrição sumária dos equipamentos, dos componentes e dos elementos de medição e controlo presentes no sistema. A metodologia seguida assenta fortemente em dois pontos; primeiro, a monitorização do sistema através do software “Agilent VEE Pro” e pela análise dos dados recolhidos com auxílio da folha de cálculo do LNEG, desenvolvida especialmente para este sistema. Em segundo lugar, a metodologia seguida será a imposta pela “Tarefa 38” de acordo com a Agência Internacional de Energia, no âmbito do programa de Aquecimento e Arrefecimento Solar o que permite a comparação de sistemas a nível internacional. Alias a “Tarefa 38” pretende desenvolver esta tecnologia, ao nível da concepção, estandardização, optimização das instalações, conceder o fácil acesso à informação e promover a comparabilidade de resultados. O desempenho global do sistema é bastante positivo, o bom comportamento do sistema é ilustrado na análise gráfica feita nos modos de aquecimento e arrefecimento. O grau de satisfação dos utilizadores é bom e o sistema demonstra capacidade para manter o conforto térmico dos espaços a climatizar de acordo com as normas e regulamentos em vigor. A utilização das energias renováveis nos dias de hoje, como por exemplo a energia solar é mais do que uma obrigação, é um dever.

Influência do caudal de ventilação no desempenho económico de um sistema AVAC de um edifício administrativo

Este estudo pretende analisar a influência do caudal de ar novo insuflado num edifício administrativo no desempenho energético do seu sistema AVAC. O RSECE determina os caudais mínimos de AN para renovação do ar interior e qualidade do ar aceitável em espaços em que não haja fontes atípicas de poluentes e sem fumadores. Existe uma tendência para se projectar sistemas AVAC insuflando o caudal mínimo de AN, para assim se poupar no consumo de energia. No entanto, em determinadas situações, com esse procedimento está-se a fazer precisamente o contrário. Nessas situações não se está a aproveitar a oportunidade de aumentar a QAI e, simultaneamente, reduzir o consumo de energia. Neste estudo calculou-se o consumo energético do sistema AVAC do edifício, inicialmente insuflando o caudal mínimo de AN, e depois repetiu-se o cálculo várias vezes aumentando esse mesmo caudal progressivamente. Este cálculo foi feito para dois tipos de sistemas de ar, CAV e VAV, e para três localizações diferentes do mesmo edifício. Foi também estudada a possibilidade do sistema funcionar em regime de “free cooling”, e também foram feitos cálculos para diferentes temperaturas de insuflação em situação de arrefecimento. Concluiu-se que, para as localizações do edifício em que este apresenta necessidades de arrefecimento anuais superiores às de aquecimento, o caudal de AN responsável pelo menor consumo energético do seu sistema AVAC é superior ao mínimo imposto pelo RSECE. Observou-se também que, quando se insufla no edifício o caudal mínimo de AN e o sistema está preparado para funcionar em regime de “free cooling”, conseguem-se poupanças no consumo energético anual do sistema bastante relevantes, independentemente do balanço entre as necessidades de aquecimento e arrefecimento anuais que o edifício apresenta. Em relação aos dois sistemas de ar estudados concluiu-se que, em qualquer das situações estudadas, o sistema VAV apresenta consumos energéticos inferiores.

Caracterização experimental e numérica do desempenho térmico de um edifício "gaioleiro": identificação de oportunidades de melhoria

O sector dos edifícios é responsável por uma percentagem significativa dos consumos de energia primária e de energia eléctrica em Portugal, associada principalmente ao conforto térmico dos seus ocupantes. A União Europeia pretende uma redução de 20%, até 2020, dos consumos de energia e consequentes emissões de CO2 através da melhoria da eficiência energética dos edifícios públicos e residenciais. Em Portugal, o Plano Nacional para a Eficiência Energética (PNAEE) tem por objectivo obter uma poupança anual de energia de pelo menos 1% até ao ano de 2016, tomando como base a média de consumos de energia final, registados entre 2001 e 2005. Neste contexto, os edifícios anteriores a 1990 (primeira versão do RCCTE) podem apresentar um potencial significativo de melhoria da sua eficiência energética com base na sua reabilitação. Os edifícios “Gaioleiros” (1880 – 1930) constituindo uma parte importante do património histórico da cidade de Lisboa, para os quais a informação sobre o seu desempenho térmico é limitada, considerou-se pertinente efectuar um estudo destinado à sua caracterização experimental e numérica, face à especificidade do comportamento térmico das suas paredes caracterizadas pela elevada espessura. No presente trabalho, apresenta-se a metodologia e os resultados experimentais da medição da resistência térmica das paredes e da medição das necessidades térmicas de aquecimento da habitação. Estes resultados experimentais foram utilizados na validação do modelo de simulação térmica da habitação, que posteriormente serviu para avaliar as suas necessidades térmicas de aquecimento (Nic) e de arrefecimento (Nvc), identificar oportunidades de melhoria e avaliar o respectivo potencial de reabilitação. Neste trabalho, como contributos para uma reabilitação sustentável, apresentam-se avaliações de oportunidades de melhoria com base em estratégias de reforço do isolamento térmico. Dos resultados obtidos concluiu-se que melhorando o isolamento térmico das paredes e vãos envidraçados é possível baixar consideravelmente os consumos de energia associados à habitação, cumprindo assim as exigências estabelecidas no RCCTE ao nível dos requisitos de qualidade térmica da envolvente e consumos energéticos para edifícios novos e grandes reabilitações.

Concepção de sistema de refrigeração por absorção, com aquecimento por painéis solares

O presente trabalho é constituído por dois temas principais: as máquinas de absorção LiBr/H2O e NH3/H2O, e os sistemas solares capazes de fornecer calor aos geradores das máquinas. Na primeira parte são referidos os diferentes sistemas de absorção, tendo sido descrito o seu funcionamento com os respectivos esquemas de princípio tendo sempre em atenção a sua optimização energética. Fez-se um estudo sobre os processos termodinâmicos associados ao funcionamento do ciclo NH3/H2O, para as temperaturas nos diferentes componentes aplicados num sistema de climatização Após esta análise termodinâmica foi realizado um estudo concreto para uma máquina, com a potência frigorífica de 16,9 kW, valor real da máquina de absorção ROBUR Modelo GAHP-AR, que servirá de base para a implementação de um sistema de fornecimento de calor, obtido com um conjunto de painéis solares. A segunda parte deste trabalho é dedicada aos sistemas solares, com uma análise dos diversos tipos de painéis, e respectivo funcionamento. Procurámos realizar o dimensionamento e optimização dessa instalação de captação de energia solar, de modo a captar cargas térmicas para um circuito de água, e assim fornecer a energia necessária ao correcto funcionamento do gerador do sistema de absorção.

Estudo comparativo do desempenho da tecnologia de termossifão e de circulação forçada no âmbito do aquecimento solar térmico

O objeto da presente tese é o estudo comparativo do desempenho de soluções de aquecimento de águas quentes sanitárias (AQS) de dois sistemas solares alternativos, um sistema do tipo Termossifão “versus” um sistema de Circulação Forçada. Foi realizada uma campanha de medições durante um ano, que permitiu avaliar o desempenho dos dois sistemas e as poupanças que resultaram da utilização de um sistema solar, em comparação com um sistema convencional de aquecimento de águas quentes com recurso a gás natural. Estes dados experimentais foram confrontados com os resultados de simulação fornecidos por software dedicado ao cálculo de energia em sistemas solares, conhecido como SolTerm. Concluiu-se que, para o perfil de consumo estabelecido, os sistemas de Circulação Forçada e de Termossifão Reais, tiveram um desempenho equivalente. Na simulação realizada no SolTerm, o sistema Termossifão foi mais eficiente, com um fração solar de 69,7%. Já para o sistema de Circulação Forçada a fração solar foi de 63,3%, com uma diferença de produtividade anual de 67 kWh/m2 de coletor. Contrariamente ao que era previsto pelo SolTerm, ambos os sistemas Reais tiveram desempenhos inferiores, obtendo frações solares de 55,8% e 58,5% para o Termossifão e Circulação Forçado respetivamente. Para o Termossifão esta diferença foi mais acentuada, ao passo que no Circulação Forçada se aproximou do comportamento previsto na simulação.