Uma abordagem à incorporação de lenhinosulfonatos e materiais reciclados em misturas de SBR para produção sustentável de solas

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Otimização Energética na Indústria Química

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Avaliação e Otimização Energética das Fornalhas da Fábrica de Aromáticos

O consumo energético verificado nas refinarias petrolíferas é muito elevado, sendo as fornalhas os equipamentos que mais contribuem para esse consumo. Neste estudo foi efetuada uma avaliação e otimização energética às fornalhas da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos. Numa primeira fase foi efetuado um levantamento exaustivo de dados de todas as correntes de entrada e saída dos equipamentos para posteriormente efetuar os balanços de massa e energia a cada uma das fornalhas. Os dados relativos ao levantamento compreenderam dois períodos de funcionamento distintos da unidade fabril, o período de funcionamento normal e o período relativo ao arranque. O período de funcionamento normal foi relativo ao ano de 2012 entre os meses de janeiro a setembro, por sua vez o período de arranque foi de dezembro de 2012 a março de 2013. Na segunda fase foram realizados os balanços de massa e energia quantificando todas as correntes de entrada e saída das fornalhas em termos mássicos e energéticos permitindo o cálculo do rendimento térmico das fornalhas para avaliar a sua performance. A avaliação energética permitiu concluir que existe um consumo maior de energia proveniente da combustão do Fuel Gás do que do Fuel Óleo, tanto no período de funcionamento normal como no arranque. As fornalhas H0101, H0301 e a H0471 possuem os consumos mais elevados, sendo responsáveis por mais de 70% do consumo da Fábrica de Aromáticos. Na terceira fase foram enunciadas duas medidas para a otimização energética das três fornalhas mais consumidoras de energia, a limpeza mensal e o uso exclusivo de Fuel Gás como combustível. As poupanças energéticas obtidas para uma limpeza mensal foram de 0,3% na fornalha H0101, 0,7% na fornalha H0301 e uma poupança de 0,9 % na fornalha H0471. Para o uso exclusivo de Fuel Gás obteve-se uma poupança de 0,9% na fornalha H0101 e uma poupança de 1,3% nas fornalhas H0301 e H0471. A análise económica efetuada à sugestão de alteração do combustível mostra que os custos de operação sofrerão um aumento anual de 621 679 €. Apesar do aumento dos custos, a redução na emissão de 24% de dióxido de carbono, poderá justificar este aumento na despesa.

Eficiência energética na iluminação pública

O presente trabalho aborda a temática da eficiência energética em sistemas de iluminação pública. A principal motivação prende-se com o peso significativo que a parcela energética destes sistemas ocupa na economia mundial. O uso eficiente de energia é uma crescente preocupação devido à diminuição de recursos, às consequências climáticas cada vez mais marcadas e ao elevado custo da energia, representando ainda um papel fundamental ao nível económico e de competitividade. A Iluminação Pública (IP) representa um peso importante nas despesas correntes dos municípios. É assim importante encontrar uma solução que permita manter níveis de segurança e conforto necessários às populações e que proporcione uma redução substancial do peso da IP nas despesas municipais. Neste sentido, este trabalho propõe-se estudar esta problemática, apresentando uma sistematização de soluções eficientes, quer a nível de lâmpadas e luminárias como também ao nível de tecnologias que auxiliem e complementem a eficiência de uma instalação de iluminação pública. A dissertação está dividida em duas partes. A primeira parte sistematiza os consumos verificados em Portugal, a vários níveis (consumo de energia elétrica, evolução do consumo energético de iluminação pública, etc.) abordando as políticas de eficiência energética, e são descritos alguns procedimentos que possibilitam a poupança energética na iluminação pública, aliada a instalações eficientes. A segunda parte da dissertação contempla o estudo de um caso prático cujo objetivo é propor soluções técnicas que permitam melhorar a eficiência energética na iluminação pública de Esposende, face à situação atual do concelho. Serão propostas várias soluções, tais como luminárias LED, balastros electrónicos reguláveis, lâmpadas de menor consumo e até mesmo o uso da telegestão.

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Análise de sensibilidade na simulação dinâmica de um grande edifício escolar existente

Dado o panorama de conservação de energia a nível nacional e mundial, torna-se hoje em dia muito importante, que seja possível controlar e estimar o consumo energético nos edifícios. Assim, atendendo à actual problemática energética e ao crescente consumo energético nos edifícios, é importante parametrizar, avaliar e comparar este consumo. Neste sentido, nas últimas décadas, têm sido efectuados desenvolvimentos técnicos, quer ao nível do equipamento de campo para efectuar monitorização e medição, quer ao nível da simulação dinâmica de edifícios. Com esta dissertação de mestrado, pretendeu-se efectuar a simulação dinâmica de um edifício escolar existente a funcionar em pleno, e efectuar uma análise de sensibilidade relativamente ao grau de variação dos resultados obtidos através da aplicação de dois programas de cálculo térmico e energético. Foram utilizados, o programa VE-Pro da IES (Integrated Environmental Solutions) e o programa Trace 700 da TRANE. Ambos os programas foram parametrizados com os mesmos dados de entrada, tendo em atenção as opções de simulação disponibilizadas por ambos. Posteriormente, utilizaram-se os dados retirados da simulação para calcular a classificação energética no âmbito do sistema de certificação energética (SCE), através de uma folha de cálculo desenvolvida para o efeito. Foram ainda consideradas várias soluções de eficiência energética para o edifício, com vista a poupanças reais de energia, tendo sempre atenção ao conforto térmico dos ocupantes. Dessas medidas fazem parte, medidas relacionadas com a iluminação, como a substituição da iluminação existente por luminárias do tipo LED (Light Emitting Diode), soluções de energias renováveis, como a instalação de colectores solares para aquecimento das águas quentes sanitárias, e painéis fotovoltaicos para produção de energia, bem como medidas ligadas aos equipamentos de climatização. Posteriormente, recalculou-se a classificação energética afectada das melhorias. Os resultados obtidos nas duas simulações foram analisados sob o ponto de vista do aquecimento, arrefecimento, ventilação, iluminação e equipamentos eléctricos. A comparação das duas simulações para cada parâmetro acima referido, apresentaram variações inferiores a 5%. O desvio maior verificou-se na ventilação, com o valor de aproximadamente 4,9%. Transpondo estes resultados para o cálculo do IEE (Índice de Eficiência Energética), verificou-se um desvio inferior a 2%.

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.

Failure of a control strategy for a hybrid air-conditioning and wind catchers/towers system at Bluewater shopping malls in Kent

Purpose – To evaluate the control strategy for a hybrid natural ventilation wind catchers and air-conditioning system and to assess the contribution of wind catchers to indoor air environments and energy savings if any. Design/methodology/approach – Most of the modeling techniques for assessing wind catchers performance are theoretical. Post-occupancy evaluation studies of buildings will provide an insight into the operation of these building components and help to inform facilities managers. A case study for POE was presented in this paper. Findings – The monitoring of the summer and winter month operations showed that the indoor air quality parameters were kept within the design target range. The design control strategy failed to record data regarding the operation, opening time and position of wind catchers system. Though the implemented control strategy was working effectively in monitoring the operation of mechanical ventilation systems, i.e. AHU, did not integrate the wind catchers with the mechanical ventilation system. Research limitations/implications – Owing to short-falls in the control strategy implemented in this project, it was found difficult to quantify and verify the contribution of the wind catchers to the internal conditions and, hence, energy savings. Practical implications – Controlling the operation of the wind catchers via the AHU will lead to isolation of the wind catchers in the event of malfunctioning of the AHU. Wind catchers will contribute to the ventilation of space, particularly in the summer months. Originality/value – This paper demonstrates the value of POE as indispensable tool for FM professionals. It further provides insight into the application of natural ventilation systems in building for healthier indoor environments at lower energy cost. The design of the control strategy for natural ventilation and air-conditioning should be considered at the design stage involving the FM personnel.

Modeling building semantics: providing feedback and sustainability

Even minor changes in user activity can bring about significant energy savings within built space. Many building performance assessment methods have been developed, however these often disregard the impact of user behavior (i.e. the social, cultural and organizational aspects of the building). Building users currently have limited means of determining how sustainable they are, in context of the specific building structure and/or when compared to other users performing similar activities, it is therefore easy for users to dismiss their energy use. To support sustainability, buildings must be able to monitor energy use, identify areas of potential change in the context of user activity and provide contextually relevant information to facilitate persuasion management. If the building is able to provide users with detailed information about how specific user activity that is wasteful, this should provide considerable motivation to implement positive change. This paper proposes using a dynamic and temporal semantic model, to populate information within a model of persuasion, to manage user change. By semantically mapping a building, and linking this to persuasion management we suggest that: i) building energy use can be monitored and analyzed over time; ii) persuasive management can be facilitated to move user activity towards sustainability.

Raytracing simulation for predicting light pipe transmittance

Daylighting systems can offer energy savings primarily by reducing electric lighting usage. Accurate predictive models of daylighting system performances are crucial for effective design and implementation of this renewable energy technology. A comparative study of predictive methods was performed and the use of a commercial raytracing software program was validated as a method of predicting light pipe performance. Raytracing simulation was shown to more accurately predict transmission effi ciency than existing analytical methods.

Cool roofs for passive cooling: performance in different climates and for different insulation levels in Italy

Roofs are severely hit by solar radiation in summer; hence the use of cool materials on the finishing layer provides a significant reduction in the heat flow entering the building, with sensible attenuation in the building cooling load. In this paper, a case study is presented, based on the dynamic simulation of an existing office building in Catania (southern Italy). Here, a part of the roof has been recently treated with a commercial cool paint, with the aim of improving thermal comfort in summer. Hence, the simulations represent a preliminary study that will allow assessing the expected effectiveness of the intervention. More in detail, the results of the simulations will be discussed in terms of both thermal comfort and energy savings, through the evaluation of parameters such as the roof surface temperature, the operative temperature and the cooling load for both conditions, i.e. with and without the cool paint. The paper also discusses the potential increase in the energy needs for winter heating, and looks at the overall annual balance in terms of primary energy; this is made by considering different climatic conditions and envelope characteristics. These aspects are usually not well highlighted in the current scientific literature.

Thermal and visual performance of real and theoretical thermochromic glazing solutions for office buildings

Thermochromic windows are able to modulate their transmittance in both the visible and the near-infrared field as a function of their temperature. As a consequence, they allow to control the solar gains in summer, thus reducing the energy needs for space cooling. However, they may also yield a reduction in the daylight availability, which results in the energy consumption for indoor artificial lighting being increased. This paper investigates, by means of dynamic simulations, the application of thermochromic windows to an existing office building in terms of energy savings on an annual basis, while also focusing on the effects in terms of daylighting and thermal comfort. In particular, due attention is paid to daylight availability, described through illuminance maps and by the calculation of the daylight factor, which in several countries is subject thresholds. The study considers both a commercially available thermochromic pane and a series of theoretical thermochromic glazing. The expected performance is compared to static clear and reflective insulating glass units. The simulations are repeated in different climatic conditions, showing that the overall energy savings compared to clear glazing can range from around 5% for cold climates to around 20% in warm climates, while not compromising daylight availability. Moreover the role played by the transition temperature of the pane is examined, pointing out an optimal transition temperatures that is irrespective of the climatic conditions.

Development of a Compact Solar Combisystem

Within the frame of the project REBUS, "Competitive solar heating systems for residential buildings", which is financed by Nordic Energy Research, a new type of compact solar combisystem with high degree of prefabrication was developed. A hydraulic and control concept was designed with the goal to get highest system efficiency for use with either a condensing natural gas boiler or a pellet boiler. Especially when using the potential of high peak power of modern condensing natural gas boilers, a new operation strategy of a natural gas boiler/solar combisystem can increase the energy savings of a small solar combisystem by about 80% compared to conventional operation strategies.

Load Adapted Solar Thermal Combisystems - Optical Analysis and Systems Optimization

In a northern European climate a typical solar combisystem for a single family house normally saves between 10 and 30 % of the auxiliary energy needed for space heating and domestic water heating. It is considered uneconomical to dimension systems for higher energy savings. Overheating problems may also occur. One way of avoiding these problems is to use a collector that is designed so that it has a low optical efficiency in summer, when the solar elevation is high and the load is small, and a high optical efficiency in early spring and late fall when the solar elevation is low and the load is large.The study investigates the possibilities to design the system and, in particular, the collector optics, in order to match the system performance with the yearly variations of the heating load and the solar irradiation. It seems possible to design practically viable load adapted collectors, and to use them for whole roofs ( 40 m2) without causing more overheating stress on the system than with a standard 10 m2 system. The load adapted collectors collect roughly as much energy per unit area as flat plate collectors, but they may be produced at a lower cost due to lower material costs. There is an additional potential for a cost reduction since it is possible to design the load adapted collector for low stagnation temperatures making it possible to use less expensive materials. One and the same collector design is suitable for a wide range of system sizes and roof inclinations. The report contains descriptions of optimized collector designs, properties of realistic collectors, and results of calculations of system output, stagnation performance and cost performance. Appropriate computer tools for optical analysis, optimization of collectors in systems and a very fast simulation model have been developed.

Solar thermal components adapted to common building standards (SCAS)

Pilot versions of a solar heating/natural gas burner system, of a solar heating/pellet burner system and of a façade/roof integrated polymeric collector have been installed in the summer of 2006 in a number of demonstration houses in Denmark, Sweden and Norway.These three new products have been evaluated by means of measurements of the thermal performance and energy savings of the pilot systems in practice and by means of a commercial evaluation.The conclusion of the evaluations is that the products are attractive for the industry partners METRO THERM A/S, Solentek and SOLARNOR. It is expected that the companies will bring the products into the market in 2007.Further, the results of the project have been presented atinternational and national congresses and seminars for the solar heating branch. The congresses and seminars attracted a lot of interested participants.Furthermore, the project results have been published in international congress papers as well as in national journals in the energy field.Consequently, the Nordic solar heating industry will benefit from the project.