Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Relatório de estágio em gabinete de engenharia na componente de climatização

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica com Especialização em Energia, Climatização e Refrigeração

Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Avaliação das melhores técnicas disponíveis relativas à refrigeração industrial e às emissões resultantes da armazenagem

Esta dissertação foi realizada em colaboração com o grupo empresarial Monteiro, Ribas e teve como principais objetivos efetuar uma avaliação das melhores técnicas disponíveis relativas à refrigeração industrial e às emissões resultantes da armazenagem. O primeiro objetivo teve como alvo todas as instalações da Monteiro, Ribas enquanto que o segundo objetivo se debruçou sobre Monteiro, Ribas, Embalagens Flexíveis, S.A.. Para cumprir estes objetivos, inicialmente efetuou-se um levantamento das melhores técnicas disponíveis apresentadas nos respetivos documentos de referência. Em seguida selecionaram-se as técnicas que se adequavam às condições e às instalações em estudo e procedeu-se a uma avaliação de forma a verificar o grau de implementação das medidas sugeridas no BREF (Best Available Techniques Reference Document). Relativamente aos sistemas de refrigeração industrial verificou-se que estão implementadas quase todas as medidas referenciadas no respetivo documento de referência. Isto prende-se com o facto dos sistemas de refrigeração existentes no complexo industrial Monteiro, Ribas serem relativamente recentes. Foram implementados no ano de 2012, e são caracterizados por apresentarem uma conceção moderna com elevada eficiência. No que diz respeito à armazenagem de produtos químicos perigosos, a instalação em estudo, apresenta algumas inconformidades, uma vez que a maioria das técnicas mencionadas no BREF não se encontram implementadas, pelo que foi necessário efetuar uma avaliação de riscos ambientais, com recurso à metodologia proposta pela Norma Espanhola UNE 150008:2008 – Análise e Avaliação do Risco Ambiental. Para isso procedeu-se então à formulação de vários cenários de riscos e à quantificação de riscos para à Monteiro, Ribas Embalagens Flexíveis S.A., tendo-se apurado que os riscos estavam avaliados como moderados a altos. Por fim foram sugeridas algumas medidas de prevenção e de minimização do risco que a instalação deve aplicar, como por exemplo, o parque de resíduos perigosos deve ser equipado com kits de contenção de derrames (material absorvente), procedimentos a realizar em caso de emergência, fichas de dados de segurança e o extintor deve ser colocado num local de fácil visualização. No transporte de resíduos perigosos, para o respetivo parque, é aconselhável utilizar bacias de contenção de derrames portáteis e kits de contenção de derrames. Relativamente ao armazém de produtos químicos perigosos é recomendado que se proceda a sua reformulação tendo em conta as MTD apresentadas no subcapítulo 5.2.3 desta dissertação.

Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.

Thermal control of electronics: Perspectives and prospects

One of the most prominent industrial applications of heat transfer science and engineering has been electronics thermal control. Driven by the relentless increase in spatial density of microelectronic devices, integrated circuit chip powers have risen by a factor of 100 over the past twenty years, with a somewhat smaller increase in heat flux. The traditional approaches using natural convection and forced-air cooling are becoming less viable as power levels increase. This paper provides a high-level overview of the thermal management problem from the perspective of a practitioner, as well as speculation on the prospects for electronics thermal engineering in years to come.

Resolution of the uncertainties in the radiative forcing of HFC-134a

HFC-134a (CF3CH2F) is the most rapidly growing hydrofluorocarbon in terms of atmospheric abundance. It is currently used in a large number of household refrigerators and air-conditioning systems and its concentration in the atmosphere is forecast to increase substantially over the next 50–100 years. Previous estimates of its radiative forcing per unit concentration have differed significantly 25%. This paper uses a two-step approach to resolve this discrepancy. In the first step six independent absorption cross section datasets are analysed. We find that, for the integrated cross section in the spectral bands that contribute most to the radiative forcing, the differences between the various datasets are typically smaller than 5% and that the dependence on pressure and temperature is not significant. A “recommended'' HFC-134a infrared absorption spectrum was obtained based on the average band intensities of the strongest bands. In the second step, the “recommended'' HFC-134a spectrum was used in six different radiative transfer models to calculate the HFC-134a radiative forcing efficiency. The clear-sky instantaneous radiative forcing, using a single global and annual mean profile, differed by 8%, between the 6 models, and the latitudinally-resolved adjusted cloudy sky radiative forcing estimates differed by a similar amount.

A conceptual design of a wireless sensor actuator system for optimising energy and well-being in a building

This article presents a prototype model based on a wireless sensor actuator network (WSAN) aimed at optimizing both energy consumption of environmental systems and well-being of occupants in buildings. The model is a system consisting of the following components: a wireless sensor network, `sense diaries', environmental systems such as heating, ventilation and air-conditioning systems, and a central computer. A multi-agent system (MAS) is used to derive and act on the preferences of the occupants. Each occupant is represented by a personal agent in the MAS. The sense diary is a new device designed to elicit feedback from occupants about their satisfaction with the environment. The roles of the components are: the WSAN collects data about physical parameters such as temperature and humidity from an indoor environment; the central computer processes the collected data; the sense diaries leverage trade-offs between energy consumption and well-being, in conjunction with the agent system; and the environmental systems control the indoor environment.

Adaptation of an commercially available stabilised R/C helicopter to a fully autonomous surveillance UAV

This paper presents the development of an autonomous surveillance UAV that competed in the Ministry of Defence Grand Challenge 2008. In order to focus on higher-level mission control, the UAV is built upon an existing commercially available stabilised R/C helicopter platform. The hardware architecture is developed to allow for non-invasion integration with the existing stabilised platform, and to enable to the distributed processing of closed loop control and mission goals. The resulting control system proved highly successful and was capable of flying within 40knott gusts. The software and safety architectures were key to the success of the research and also hold the potential for use in the development of more complex system comprising of multiple UAVs.

Output envelope adjustment for an environmental fuzzy logic controller

A two-level fuzzy logic controller for use in air-conditioning systems is outlined in this paper. At the first level a simplified controller is produced from expert knowledge and envelope adjustment is introduced, while the second level provides a means for adapting this controller to different working spaces. The mechanism for adaption is easily implemented and can be used in real time. A series of simulations is presented to illustrate the proposed schema.

The domestic garden: its contribution to urban green infrastructure

Domestic gardens provide a significant component of urban green infrastructure but their relative contribution to eco-system service provision remains largely un-quantified. ‘Green infrastructure’ itself is often ill-defined, posing problems for planners to ascertain what types of green infrastructure provide greatest benefit and under what circumstances. Within this context the relative merits of gardens are unclear; however, at a time of greater urbanization where private gardens are increasingly seen as a ‘luxury’, it is important to define their role precisely. Hence, the nature of this review is to interpret existing information pertaining to gardens /gardening per se, identify where they may have a unique role to play and to highlight where further research is warranted. The review suggests that there are significant differences in both form and management of domestic gardens which radically influence the benefits. Nevertheless, gardens can play a strong role in improving the environmental impact of the domestic curtilage, e.g. by insulating houses against temperature extremes they can reduce domestic energy use. Gardens also improve localized air cooling, help mitigate flooding and provide a haven for wildlife. Less favourable aspects include contributions of gardens and gardening to greenhouse gas emissions, misuse of fertilizers and pesticides, and introduction of alien plant species. Due to the close proximity to the home and hence accessibility for many, possibly the greatest benefit of the domestic garden is on human health and well-being, but further work is required to define this clearly within the wider context of green infrastructure.

An investigation of thermal comfort adaptation behaviour in office buildings in the UK

Around 40% of total energy consumption in the UK is consumed by creating comfortable indoor environment for occupants. Occupants’ behaviour in terms of achieving thermal comfort could have a significant impact on a building’s energy consumption. Therefore, understanding the interactions of occupants with their buildings would be essential to provide a thermal comfort environment that is less reliance on energy-intensive heating, ventilation and air-conditioning systems, to meet energysaving and carbon emission targets. This paper presents the findings of a year-long field study conducted in non-air-conditioned office buildings in the UK. Occupants’ adaptive responses in terms of technological and personal dimensions are dynamic processes which could vary with both indoor and outdoor thermal conditions. The adaptive behaviours of occupants in the surveyed building show substantial seasonal and daily variations. Our study shows that non-physical factors such as habit could influence the adaptive responses of occupants. However, occupants sometimes displayed inappropriate adaptive behaviour, which could lead to a misuse of energy. This paper attempts to illustrate how occupants would adapt and interact with their built environment and consequently contribute to development of a guide for future design/refurbishment of buildings and to develop energy management systems for a comfortable built environment.

Emergy-based sustainability assessment of different energy options for green buildings

It is necessary to minimize the environmental impact and utilize natural resources in a sustainable and efficient manner in the early design stage of developing an environmentally-conscious design for a heating, ventilating and air-conditioning system. Energy supply options play a significant role in the total environmental load of heating, ventilating and air-conditioning systems. To assess the environmental impact of different energy options, a new method based on Emergy Analysis is proposed. Emergy Accounting, was first developed and widely used in the area of ecological engineering, but this is the first time it has been used in building service engineering. The environmental impacts due to the energy options are divided into four categories under the Emergy Framework: the depletion of natural resources, the greenhouse effect (carbon dioxide equivalents), the chemical rain effect (sulphur dioxide equivalents), and anthropogenic heat release. The depletion of non-renewable natural resources is indicated by the Environmental Load Ratio, and the environmental carrying capacity is developed to represent the environmental service to dilute the pollutants and anthropogenic heat released. This Emergy evaluation method provides a new way to integrate different environmental impacts under the same framework and thus facilitates better system choices. A case study of six different kinds of energy options consisting of renewable and non-renewable energy was performed by using Emergy Theory, and thus their relative environmental impacts were compared. The results show that the method of electricity generation in energy sources, especially for electricity-powered systems, is the most important factor to determine their overall environmental performance. The direct-fired lithium-bromide absorption type consumes more non-renewable energy, and contributes more to the urban heat island effect compared with other options having the same electricity supply. Using Emergy Analysis, designers and clients can make better-informed, environmentally-conscious selections of heating, ventilating and air-conditioning systems.