Gestão de instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia em grandes edifícios com integração de Miniprodução

As alterações climáticas e as emissões de CO2 são questões que suscitam a nível internacional e nacional o desenvolvimento de estratégias que atenuem os seus impactes. A Eficiência Energética (EE) é essencial para que num futuro próximo não haja impactes significativos no meio ambiente devido a elevado e ineficiente consumo energético. A União Europeia (UE) e Portugal têm desenvolvido políticas e programas que estimulam a eficiência energética, bem como a diminuição de gases com efeito de estufa (GEE) e a promoção da utilização de fontes de energia renovável. Por outro lado vivemos numa sociedade que passa cerca de 80% do seu tempo em edifícios e, nestes, é consumida 40% da energia mundial. Com uma dependência energética superior a 80%, Portugal tem vindo a apostar, nos últimos anos, em fontes de energia renovável. Esta aposta serve como substituição de fontes, mas não leva directamente à redução de consumos. A redução da factura de energia só pode ser atingida com uma maior eficiência energética e melhores práticas de gestão de energia em edifícios, transportes e industria. Esta dissertação centra-se especificamente num conjunto de edifícios públicos, património municipal da autarquia de Matosinhos, cujo modelo de fornecimento da energia eléctrica é passível de análise crítica no sentido de uma optimização radical ao nível da concepção da rede e exploração, com consequente redução de custos ao nível da facturação. Esta nova metodologia de exploração e gestão de sistemas eléctricos incidirá na criação de um “campus” energético autárquico resultante do novo layout da rede e respectivo fornecimento de energia a partir da rede de distribuição pública. O estudo permitirá fornecer ferramentas fundamentais para a gestão municipal e empresarial ao nível da sustentabilidade energética nos edifícios públicos com abrangência aos serviços empresariais. De referir que a gestão das instalações eléctricas para optimização do desempenho, eficiência e qualidade de energia é aplicável aos 308 municípios nacionais com relevância para as empresas que apresentam consumos significativos nos seus edifícios. Enquanto funcionário da Câmara Municipal de Matosinhos, este município foi uma escolha natural como referência, na análise da relação existente entre a administração local e a gestão da energia. Para ajudar à análise foi efectuado um benchmarketing a cinco edifícios municipais: Edifício dos Paços do Concelho, Biblioteca Municipal Florbela Espanca, Palacete Visconde Trevões, ex-Edifício dos SMAS e Edifício do ex-Tribunal, visando potenciar a correcta gestão de energia destes edifícios por parte das entidades que os gerem, perante novas oportunidades de melhoria e soluções encontradas. Como contributo às metas impostas pela Directiva 2009/28/CE para 2020, a qual prevê uma redução de 20% no consumo final de energia através da eficiência energética, a incorporação de 20% de energia renovável no consumo energético global e a consequente redução em 20% da emissão de GEE, é apresentado um estudo ao nível de um parque fotovoltaico com a componente técnica e económica.

Eficiência energética e controlo de iluminação em edifícios

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Convergence to the European Energy Policy in European countries: case studies and comparison

Purpose – Our paper aims at analyzing how different European countries cope with the European Energy Policy, which proposes a set of measures (free energy market, smart meters, energy certificates) to improve energy utilization and management in Europe. Design/methodology/approach – The paper first reports the general vision, regulations and goals set up by Europe to implement the European Energy Policy. Later on, it performs an analysis of how some European countries are coping with the goals, with financial, legal, economical and regulatory measures. Finally, the paper draws a comparison between the countries to present a view on how Europe is responding to the emerging energy emergency of the modern world. Findings – Our analysis on different use cases (countries) showed that European countries are converging to a common energy policy, even though some countries appear to be later than others In particular, Southern European countries were slowed down by the world financial and economical crisis. Still, it appears that contingency plans were put into action, and Europe as a whole is proceeding steadily towards the common vision. Research limitations/implications – European countries are applying yet more cuts to financing green technologies, and it is not possible to predict clearly how each country will evolve its support to the European energy policy. Practical implications – Different countries applied the concepts and measures in different ways. The implementation of the European energy policy has to cope with the resulting plethora of regulations, and a company proposing enhancement regarding energy management still has to possess robust knowledge of the single country, before being able to export experience and know-how between European countries. Originality/Value – Even though a few surveys on energy measures in Europe are already part of the state-of-the-art, organic analysis diagonal to the different topics of the European Energy Policy is missing. Moreover, this paper highlights how European countries are converging on a common view, and provides some details on the differences between the countries, thus facilitating parties interesting into cross-country export of experience and technology for energy management.

Modified Discrete PSO to Increase the Delivered Energy Probability in Distribution energy Systems

This paper proposes a PSO based approach to increase the probability of delivering power to any load point by identifying new investments in distribution energy systems. The statistical failure and repair data of distribution components is the main basis of the proposed methodology that uses a fuzzyprobabilistic modeling for the components outage parameters. The fuzzy membership functions of the outage parameters of each component are based on statistical records. A Modified Discrete PSO optimization model is developed in order to identify the adequate investments in distribution energy system components which allow increasing the probability of delivering power to any customer in the distribution system at the minimum possible cost for the system operator. To illustrate the application of the proposed methodology, the paper includes a case study that considers a 180 bus distribution network.

Auditorias energéticas – definição de um plano de ação para edifícios de serviços

O setor dos edifícios representa perto de 40% do consumo de energia final na Europa e cerca de 30% no caso de Portugal [1]. Para fazer face a esta situação foi elaborada e aprovada uma Diretiva Europeia Relativa ao Desempenho Energético dos Edifícios, que foi transposta a nível nacional através de um pacote legislativo assente em três pilares, nomeadamente o Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior (SCE), o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) e o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE). Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia nos edifícios pode diminuir para metade, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas para poder determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação desenvolveu-se uma metodologia para a realização de auditorias energéticas em edifícios que assenta essencialmente em cinco etapas, nomeadamente: o planeamento, a análise do estado atual, o planeamento estratégico, a elaboração de relatório e a implementação de medidas com acompanhamento de resultados. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia efetuada foi realizado o estudo de três casos práticos relativos a três agências bancárias (denominadas de A, B e C), em que duas delas pertencem a um projeto de eficiência energética que engloba 50 agências e uma outra que pertence a um outro projeto de apenas 3 agências. A metodologia segue a mesma lógica para as três agências, no entanto, em termos de validação, a última instalação baseia-se nos consumos dos dados monitorizados em contínuo.

Modelação de um Sistema de AVAC, em Software LabVIEW

Na União Europeia, a energia utilizada nos edifícios é responsável por uma grande parte do consumo total, cerca de 40%, de toda a energia produzida, contribuindo em grande escala para as emissões de gases de efeito de estufa, como o CO2. [ADENE, 2014]. A minimização deste consumo, durante o período de ciclo de vida de um edifício, é um grande desafio associado ao ambiente e à economia. Na atualidade assistimos, cada vez mais, ao emergir de novas tecnologias. Faz parte dessa realidade, o crescimento e o desenvolvimento das UTA’s, que surgem como resposta do ser humano pela busca de otimização da sua zona de conforto, da qualidade de ar interior e da eficiência energética. Assim, para que não se sacrifique o conforto térmico, há que conciliar a qualidade de ar interior com a energia dispensada para climatizar os espaços. Para ajudar à minimização de CO2 em conjunto com uma eficiência energética e conforto térmico, traduzindo-se numa melhor qualidade de ar no interior de espaços climatizados, surge o objetivo de implementar uma aplicação através do software LabVIEW para prever uma experiência real. Como solução, recorreu-se a modelos matemáticos que traduzissem os vários balanços térmicos, balanços de massa e de CO2. As principais conclusões deste trabalho foram: validação do comportamento do modelo matemático da temperatura; validação do comportamento do modelo matemático de CO2; humidade relativa com 25% de registos válidos.

Contributo da manutenção técnica de edifícios para a sustentabilidade

A manutenção, durante vários anos, traduziu-se num conceito paliativo de instalações e equipamentos, o que se veio a revelar como uma atitude negligente perante o Homem e o Ambiente. As preocupações ambientais estão na ordem do dia e têm sido muitas as vozes que se têm levantado para que o consumo de energia seja mais equilibrado e para que as emissões de CO2 diminuam de forma a preservar o Planeta. De acordo com a resolução do Conselho Europeu, em 2007 (1), foi apresentado um pacote de propostas que visam a sustentabilidade e estimulam a Eficiência Energética (EE), com o objectivo de reduzir os consumos energéticos dos edifícios, quer estes sejam novos ou reabilitados. Segundo a Direcção Geral de Energia e Geologia os edifícios são responsáveis por 60% dos consumos de energia eléctrica, consumo esse que pode ser reduzido em mais de 50%, através de medidas de EE, traduzindo-se numa redução de 400 milhões de toneladas de CO2 por ano. (2) Para além de medidas de EE, também as práticas de manutenção preventiva podem contribuir para a diminuição dos consumos energéticos e de emissões de CO2. Segundo o Institute for Building Efficiency práticas de manutenção preventiva em equipamentos de Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) reduzem os consumos energéticos de 10 a 20% e, em contrapartida, a negligência na execução da manutenção pode aumentar os consumos energéticos de 30 a 60%. (3) Uma outra análise de valores a ter em conta, é a Intensidade Energética (IE). Leia-se IE como sendo o valor global da energia consumida num país a dividir pelo seu produto interno bruto. A contribuição do sector dos serviços para a IE nacional era de 17% no ano de 2005. (4) Se a estes dados acrescentarmos que 70% dessa energia é consumida por equipamentos AVAC (5) e que práticas de manutenção reduzem esses valores entre 10 a 20%, pode concluir-se que a redução de custos energéticos associada à manutenção preventiva é efectiva e significativa. Apresentando um cenário ideal e hipotético, se ao contributo do sector dos serviços, para a IE nacional, se isolar o valor referente a equipamentos de AVAC, obtem-se uma IE de aproximadamente 12%. Se adicionalmente se considerar uma taxa de redução, relativa à execução da manutenção, entre 10 e 20%, Portugal obteria uma IE, relativamente aos consumos energéticos em edificios de serviços, não de 17% mas sim entre 14,6% e 15,8%. Neste trabalho pretende-se comprovar que um plano de actividades de manutenção equilibrado, monitorizado, e gerido de forma eficaz e funcional, é uma ferramenta fundamental no cumprimento de objectivos e metas europeias traçadas, que se reúnem num objectivo comum de preservação do planeta. A adopção deste tipo de medidas contribuirá para a racionalização dos consumos energéticos e para o aumento da vida útil dos equipamentos, bem como para a melhoria do desempenho económico e financeiro das organizações, tal como se poderá ler mais à frente neste trabalho. Será também analisado um caso prático, verificando a eficácia das medidas tomadas durante as intervenções preventivas de manutenção, sendo que para isso será estudado o comportamento de um equipamento, antes e após a realização de tarefas de manutenção preventiva. Tentar-se-á, junto de gestores de edifícios, recolher a opinião que têm sobre a importância da manutenção. Ao longo de toda a pesquisa foi possível consolidar a hipótese formulada inicialmente no que concerne ao contributo da manutenção para a sustentabilidade, quer através da revisão da literatura, quer nos testes efectuados a equipamentos. Foi possível confirmar que um plano de manutenção ajustado, monitorizado e cumprido é uma ferramenta na diminuição dos consumos energéticos, aumento da vida útil de equipamentos e por sua vez na diminuição de emissões de CO2. Verificou-se também que o controlo de poluentes e ventilação adequada dos edifícios são uma ferramenta essencial para a qualidade do ar interior, parâmetros facilmente controlados nas actividades de manutenção. O contributo das opiniões recolhidas entre os gestores de edifícios, para este estudo, foi também bastante importante, uma vez que todos eles reconhecem o papel importante da manutenção, mas nem todos estão sensibilizados para o seu papel na sustentabilidade do planeta. Nesta dissertação é deixado um alerta: o crescimento da população mundial e a consequente utilização de recursos naturais que são finitos, não sendo controlado de uma forma sustentada, pode resultar na destruição de um planeta único. O papel negativo do Homem nas alterações climáticas é inequívoco e é necessário melhorar a sua relação com o Ambiente. Cada ser humano está inserido na sua comunidade e dentro dela tem a sua função, cabe a cada um exercer esta responsabilidade nas suas actividades do dia-a-dia.

Energy-aware task mapping onto heterogeneous platforms using DVFS and sleep states

Heterogeneous multicore platforms are becoming an interesting alternative for embedded computing systems with limited power supply as they can execute specific tasks in an efficient manner. Nonetheless, one of the main challenges of such platforms consists of optimising the energy consumption in the presence of temporal constraints. This paper addresses the problem of task-to-core allocation onto heterogeneous multicore platforms such that the overall energy consumption of the system is minimised. To this end, we propose a two-phase approach that considers both dynamic and leakage energy consumption: (i) the first phase allocates tasks to the cores such that the dynamic energy consumption is reduced; (ii) the second phase refines the allocation performed in the first phase in order to achieve better sleep states by trading off the dynamic energy consumption with the reduction in leakage energy consumption. This hybrid approach considers core frequency set-points, tasks energy consumption and sleep states of the cores to reduce the energy consumption of the system. Major value has been placed on a realistic power model which increases the practical relevance of the proposed approach. Finally, extensive simulations have been carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. In the best-case, savings up to 18% of energy are reached over the first fit algorithm, which has shown, in previous works, to perform better than other bin-packing heuristics for the target heterogeneous multicore platform.

A Green Approach for Selfish Misbehavior Detection in 802.11-Based Wireless Networks

IEEE 802.11 is one of the most well-established and widely used standard for wireless LAN. Its Medium Access control (MAC) layer assumes that the devices adhere to the standard’s rules and timers to assure fair access and sharing of the medium. However, wireless cards driver flexibility and configurability make it possible for selfish misbehaving nodes to take advantages over the other well-behaving nodes. The existence of selfish nodes degrades the QoS for the other devices in the network and may increase their energy consumption. In this paper we propose a green solution for selfish misbehavior detection in IEEE 802.11-based wireless networks. The proposed scheme works in two phases: Global phase which detects whether the network contains selfish nodes or not, and Local phase which identifies which node or nodes within the network are selfish. Usually, the network must be frequently examined for selfish nodes during its operation since any node may act selfishly. Our solution is green in the sense that it saves the network resources as it avoids wasting the nodes energy by examining all the individual nodes of being selfish when it is not necessary. The proposed detection algorithm is evaluated using extensive OPNET simulations. The results show that the Global network metric clearly indicates the existence of a selfish node while the Local nodes metric successfully identified the selfish node(s). We also provide mathematical analysis for the selfish misbehaving and derived formulas for the successful channel access probability.

Development and validation of a risk model for prediction of hazardous alcohol consumption in general practice attendees : the PredictAL study

Background: Little is known about the risk of progression to hazardous alcohol use in people currently drinking at safe limits. We aimed to develop a prediction model (predictAL) for the development of hazardous drinking in safe drinkers. Methods: A prospective cohort study of adult general practice attendees in six European countries and Chile followed up over 6 months. We recruited 10,045 attendees between April 2003 to February 2005. 6193 European and 2462 Chilean attendees recorded AUDIT scores below 8 in men and 5 in women at recruitment and were used in modelling risk. 38 risk factors were measured to construct a risk model for the development of hazardous drinking using stepwise logistic regression. The model was corrected for over fitting and tested in an external population. The main outcome was hazardous drinking defined by an AUDIT score >= 8 in men and >= 5 in women. Results: 69.0% of attendees were recruited, of whom 89.5% participated again after six months. The risk factors in the final predictAL model were sex, age, country, baseline AUDIT score, panic syndrome and lifetime alcohol problem. The predictAL model's average c-index across all six European countries was 0.839 (95% CI 0.805, 0.873). The Hedge's g effect size for the difference in log odds of predicted probability between safe drinkers in Europe who subsequently developed hazardous alcohol use and those who did not was 1.38 (95% CI 1.25, 1.51). External validation of the algorithm in Chilean safe drinkers resulted in a c-index of 0.781 (95% CI 0.717, 0.846) and Hedge's g of 0.68 (95% CI 0.57, 0.78). Conclusions: The predictAL risk model for development of hazardous consumption in safe drinkers compares favourably with risk algorithms for disorders in other medical settings and can be a useful first step in prevention of alcohol misuse.

Monitorização e Avaliação Dinâmica do Potencial para a Eficiência Energética de Lares de Idosos

Atualmente a situação económica do país é delicada, como tal, a redução dos consumos energéticos é uma mais-valia tanto para os consumidores como para o meio ambiente. A evolução tecnológica nos últimos anos possibilita a realização de soluções para resolver esse problema. A monitorização constante dos consumos de energia elétrica pode fazer com que esta redução seja concretizada. Relativamente ao caso concreto do edificado, o consumo de energia nos edifícios Europeus é muito significativo, quer ao nível das soluções construtivas, dos sistemas e dos equipamentos. Como tal, podem ser tomadas medidas que podem ter um impacto significativo para a redução dos consumos. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de três lares de idosos situados no Porto. A auditoria efetuada revelou um enorme potencial de poupança energética, nomeadamente de energia elétrica e gás natural. As medidas a adotar para reduzir os consumos energéticos do edifício passam pela substituição da iluminação existente por uma mais eficiente e de menor potência, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias (nos dois lares que ainda não possuem este tipo de sistema), a substituição das caldeiras a gás natural por biomassa, a instalação de equipamentos para monitorização de consumos, entre outros. Através da recolha e tratamento de dados com um analisador de energia foi possível verificar que a implementação de uma solução de monitorização de consumos energéticos nos lares poderá permitir baixar os custos da fatura energética.

Impacto da Utilização de Dispositivos de Iluminação Pública de Baixo Consumo Energético

Um dos principais desafios do século XXI prende-se com a evolução para uma economia global sustentável e “limpa”. Com o aumento da população e da procura energética nas últimas décadas, têm-se definido e adotado vários planos de ação a nível mundial para tentar responder aos desafios propostos. Os planos de ação adotados mundialmente visam melhorar o rendimento energético dos produtos, dos edifícios e dos serviços, da produção e distribuição de energia, facilitar o financiamento e a realização de investimentos neste domínio, suscitar e reforçar um comportamento racional em matéria de consumo de energia e consolidar a ação internacional em matéria de eficiência energética. A iluminação pública acompanhou este crescimento de população e consequente aumento das cidades. No entanto surgiram outras preocupações, visto que no passado quando a energia era relativamente barata, os municípios cometeram o erro de instalar mais iluminação em vez de ajustar muitos locais que estavam sobre iluminados. No presente muitos desses municípios estão a reavaliar as suas necessidades de iluminação, devido aos custos mais elevados de energia elétrica e também ao fator ambiental. As tecnologias na área da iluminação pública também sofreram evolução significativa e este projeto visa o estudo do impacto da utilização de dispositivos de iluminação pública de baixo consumo energético numa rua do concelho de Valongo com a finalidade de observar quais as poupanças que se podem obter na fatura energética.

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%.

Energy-efficient MAC protocols for WBANs: Opportunities and challenges

Wireless body area networks (WBANs) are expected to play a significant role in smart healthcare systems. One of the most important attributes of WBANs is to increase network lifetime by introducing novel and low-power techniques on the energy-constrained sensor nodes. Medium access control (MAC) protocols play a significant role in determining the energy consumption in WBANs. Existing MAC protocols are unable to accommodate communication requirements in WBANs. There is a need to develop novel, scalable and reliable MAC protocols that must be able to address all these requirements in a reliable manner. In this special issue, we attracted high quality research and review papers on the recent advances in MAC protocols for WBANs.

Aplicação do Ensaio de Porta Ventiladora ao Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

Com a crescente sensibilização mundial relativa ao aquecimento global, provocado pela alta quantidade de emissão de gases com efeito de estufa, torna-se imperativa a redução de consumos de combustíveis fósseis e consecutivas emissões. Ao nível da construção civil, uma intervenção eficaz na prevenção de perdas de ar aquecido poderá levar a diminuições superiores a 50% na utilização de energia. Este trabalho pretende estudar a importância da eficiência energética nos edifícios, com especial enfoque na sua permeabilidade ao ar. O ensaio de porta ventiladora permite avaliar esta permeabilidade e identificar os locais onde se dão as infiltrações, nomeadamente com auxílio da câmara térmica. O principal objectivo é estudar a aplicação deste ensaio na legislação em desenvolvimento no âmbito da certificação energética, através da comparação dos resultados de quatro habitações distintas. Também ao nível da eficiência energética, será obtida a classe energética, segundo a legislação em vigor à corrente data em Portugal, de uma das habitaçãoes ensaiadas e propostas medidas de melhoria para o desempenho energético desta. Do estudo efectuado é destacado o facto de o valor de renovações horárias do ar interior de uma fracção ser sempre inferior quando obtido unicamente através da legislação em desenvolvimento, em comparação com a obtenção deste através da legislação com auxílio do ensaio da porta ventiladora, o que leva a um grande desincentivo na utilização deste.