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.

Optimização da gestão de energia e da segurança de um edifício baseada num sistema técnico centralizado

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

Avaliação do desempenho energético de uma pequena fracção de serviços existente tendo por base as metodologias regulamentares do RSECE e do RECS

A dependência energética das grandes economias mundiais, alertaram o mundo para a necessidade de mudar o comportamento relativo ao consumo de energia. O sector dos edifícios representa 40% dos consumos globais de energia na União Europeia, já no panorama nacional, o sector dos edifícios representa 28% dos consumos globais da energia, constituindo uma parte significativa no consumo global de energia, sendo portanto, essencial avaliar o desempenho energético dos edifícios, no sentido de promover a sua eficiência energética e beneficiar do grande potencial de economia de energia. Portugal à luz das linhas de orientação da União Europeia com o objectivo de instigar o aumento da eficiência energética nos edifícios, lançou o programa nacional para a eficiência energética nos Edifícios (P3E). Posteriormente, da transposição da Directiva 2002/91/CE para a ordem jurídica nacional surgiu o SCE, o RCCTE e o RSECE. Já em 2013, com a necessidade de transpor para a ordem da jurídica nacional a Directiva n.º 2010/31/EU, surge o Decreto-Lei n.º 118/2013, reunindo num só diploma o SCE, o REH e o RECS, promovendo uma revisão da legislação nacional, garantindo e promovendo a melhoria do desempenho energético dos edifícios. Através da presente dissertação, pretende-se avaliar o desempenho energético de uma pequena fracção de serviços existente tendo por base a metodologia regulamentar revogada do RSECE e a vigente metodologia regulamentar do RECS. Após apresentação dos dois regulamentos e da identificação das principais diferenças entre as duas metodologias regulamentares, procedeu-se ao enquadramento da fracção em estudo no âmbito de aplicação do RSECE e do RECS. Segundo os dois regulamentos a fracção não está sujeita a requisitos mínimos de qualidade térmica, nem a quaisquer requisitos energéticos e de eficiência dos sistemas técnicos, ao tratar-se de uma pequena fracção de serviços existente. Recorrendo ao software DesignBuilder, gerou-se o modelo da fracção em estudo, que através da simulação dinâmica multizona permitiu obter os consumos de energia anuais e a sua desagregação por utilização final. A partir dos consumos energia, determinaram-se os indicadores de eficiência energética de acordo com as duas metodologias, permitindo deste modo, proceder à classificação energética da fracção em estudo. De acordo com o RSECE a fracção em estudo obteve a classificação D, já segundo o RECS alcançou a classe C. Para aumentar a eficiência energética da fracção e consequentemente diminuir o consumo energético, foi proposto proceder à substituição das lâmpadas existentes por lâmpadas tubulares de tecnologia LED e à substituição do sistema de ventilação mecânico por um sistema de ventilação dimensionado para os novos valores de caudal de ar novo regulamentares. Com a implementação destas duas medidas a fracção em estudo melhoraria a sua classificação energética, exigindo um investimento baixo e apresentando um período de retorno de 1 ano e 5 meses. Segundo o RSECE passaria para a classe B, e aplicando a metodologia regulamentar do RECS alcançaria a classe B-.

Avaliação da qualidade do ar e classificação energética de uma piscina coberta e propostas de melhoria

A presente dissertação tem dois objetivos, o primeiro é a realização de uma auditoria energética e avaliação da qualidade do ar às instalações de uma Piscina Municipal, permitindo a sua classificação energética, e o segundo é o estudo de propostas de melhoria que contribuam para uma melhor eficiência energética do edifício. Na análise à qualidade do ar interior os parâmetros avaliados encontravam-se todos dentro dos limites estabelecidos por lei, com exceção dos valores de COVs que em dois pontos de medição (ambos na nave) ultrapassaram os limites estabelecidos por lei. A auditoria ao edifício permitiu verificar que o caudal mínimo de água nova nas piscinas imposto por lei é cumprido pela instalação. No que diz respeito ao caudal de ar novo introduzido, este apenas é respeitado quando a unidade de tratamento de ar está a debitar 100% da sua capacidade. Quando a unidade opera a 50% da sua capacidade apresenta um défice de 5% do valor mínimo estabelecido. Relativamente às perdas energéticas associadas aos tanques de natação, estas apresentam um valor de 95,89 kW, em que 59,09 kW dizem respeito às perdas por evaporação. Foi também possível concluir que as perdas por evaporação representam cerca de 39% da energia calorifica produzida nas caldeiras. O edifício apresenta um consumo anual de eletricidade de 166 482 kWh em que 69% deste valor é provocado pelas unidades de tratamento de ar e a iluminação apresenta apenas um peso de 3%. Em relação ao gás natural consumido pelas caldeiras o seu valor anual é de 1 317 240 kWh. A simulação dinâmica do edifício permitiu concluir que este apresenta um IEE de 1 269,9 kWh/m2.ano. O rácio de classe energética (RIEE) é de 1,24 o que significa que o edifício pertence à classe energética C. As medidas estudadas para a melhoria da eficiência energética, nomeadamente integração energética com uma central de ciclo combinado, aplicação de cobertura isotérmica nas piscinas e substituição do telhado na zona da nave, mostraram-se viáveis. O estudo da possibilidade da realização de uma integração energética permitiu concluir que a poupança anual é de 9 374 € e o investimento é recuperado em menos de 1,5 anos. Relativamente à aplicação de cobertura isotérmica o investimento é de 14 000 € e é recuperado em 2 anos. A substituição do telhado na zona da nave tem um investimento de 20 500 € e a recuperação realiza-se num período de 3,5 anos.

Simulação Dinâmica do Centro de Dia e Apoio à Terceira Idade de Leça do Balio

Pela importância que os edifícios têm na utilização de energia, a avaliação do seu desempenho energético é de grande relevância, uma vez que, em grande parte, passa por estes a concretização das metas europeias definidas para 2020, no que concerne à diminuição da utilização de energia. Tendo em conta que os edifícios representam 40% do consumo de energia total, e estando o sector em expansão, esta realidade obriga a uma procura de soluções integradas de arquitetura e engenharia que promovam a sustentabilidade dos edifícios. Foi efetuado um estudo num edifício constituído por dois corpos, um mais antigo que funciona como centro de dia e um mais recente que funciona como lar, localizados no concelho de Matosinhos, onde se identificaram os pontos de maior consumo energético, para os quais foram sugeridas alterações no sentido de baixar os custos com a factura energética. Nesta dissertação foi utilizado um software de simulação dinâmica para avaliação do comportamento térmico do edifício nas condições atuais e, posteriormente, foram simulados outros cenários com alterações ao nível da envolvente térmica dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, que permitiram identificar algumas medidas de melhoria de eficiência energética. As medidas de melhoria sugeridas implicam uma redução energética, ao nível do consumo de água quente sanitária, consumo de gás natural e electricidade. De entre essas medidas, e com um payback inferior a 8 anos e meio, destacam-se a instalação de redutores de caudal, a substituição da caldeira e da bomba de recirculação, a instalação de painéis solares térmicos e a redução da quantidade de lâmpadas.

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%.

Validation of plant dynamic model by online and laboratory measurements – a tool to predict online COD loads out of production of mechanical printing papers

COD discharges out of processes have increased in line with elevating brightness demands for mechanical pulp and papers. The share of lignin-like substances in COD discharges is on average 75%. In this thesis, a plant dynamic model was created and validated as a means to predict COD loading and discharges out of a mill. The assays were carried out in one paper mill integrate producing mechanical printing papers. The objective in the modeling of plant dynamics was to predict day averages of COD load and discharges out of mills. This means that online data, like 1) the level of large storage towers of pulp and white water 2) pulp dosages, 3) production rates and 4) internal white water flows and discharges were used to create transients into the balances of solids and white water, referred to as “plant dynamics”. A conversion coefficient was verified between TOC and COD. The conversion coefficient was used for predicting the flows from TOC to COD to the waste water treatment plant. The COD load was modeled with similar uncertainty as in reference TOC sampling. The water balance of waste water treatment was validated by the reference concentration of COD. The difference of COD predictions against references was within the same deviation of TOC-predictions. The modeled yield losses and retention values of TOC in pulping and bleaching processes and the modeled fixing of colloidal TOC to solids between the pulping plant and the aeration basin in the waste water treatment plant were similar to references presented in literature. The valid water balances of the waste water treatment plant and the reduction model of lignin-like substances produced a valid prediction of COD discharges out of the mill. A 30% increase in the release of lignin-like substances in the form of production problems was observed in pulping and bleaching processes. The same increase was observed in COD discharges out of waste water treatment. In the prediction of annual COD discharge, it was noticed that the reduction of lignin has a wide deviation from year to year and from one mill to another. This made it difficult to compare the parameters of COD discharges validated in plant dynamic simulation with another mill producing mechanical printing papers. However, a trend of moving from unbleached towards high-brightness TMP in COD discharges was valid.

Passive Solar Building Design Using Genetic Programming

Passive solar building design is the process of designing a building while considering sunlight exposure for receiving heat in winter and rejecting heat in summer. The main goal of a passive solar building design is to remove or reduce the need of mechanical and electrical systems for cooling and heating, and therefore saving energy costs and reducing environmental impact. This research will use evolutionary computation to design passive solar buildings. Evolutionary design is used in many research projects to build 3D models for structures automatically. In this research, we use a mixture of split grammar and string-rewriting for generating new 3D structures. To evaluate energy costs, the EnergyPlus system is used. This is a comprehensive building energy simulation system, which will be used alongside the genetic programming system. In addition, genetic programming will also consider other design and geometry characteristics of the building as search objectives, for example, window placement, building shape, size, and complexity. In passive solar designs, reducing energy that is needed for cooling and heating are two objectives of interest. Experiments show that smaller buildings with no windows and skylights are the most energy efficient models. Window heat gain is another objective used to encourage models to have windows. In addition, window and volume based objectives are tried. To examine the impact of environment on designs, experiments are run on five different geographic locations. Also, both single floor models and multi-floor models are examined in this research. According to the experiments, solutions from the experiments were consistent with respect to materials, sizes, and appearance, and satisfied problem constraints in all instances.

Dynamic data reconciliation for sequential modular simulators

In this paper the implementation of dynamic data reconciliation techniques for sequential modular models is described. The paper is organised as follows. First, an introduction to dynamic data reconciliation is given. Then, the online use of rigorous process models is introduced. The sequential modular approach to dynamic simulation is briefly discussed followed by a short review of the extended Kalman filter. The second section describes how the modules are implemented. A simulation case study and its results are also presented.

Simulation of the future performance of low-energy evaporative cooling systems using UKCP09 climate projections

Recent activity in the development of future weather data for building performance simulation follows recognition of the limitations of traditional methods, which have been based on a stationary (observed) climate. In the UK, such developments have followed on from the availability of regional climate models as delivered in UKCIP02 and recently the probabilistic projections released under UKCP09. One major area of concern is the future performance and adaptability of buildings which employ exclusively passive or low-energy cooling systems. One such method which can be employed in an integral or retrofit situation is direct or indirect evaporative cooling. The effectiveness of evaporative cooling is most strongly influenced by the wet-bulb depression of the ambient air, hence is generally regarded as most suited to hot, dry climates. However, this technology has been shown to be effective in the UK, primarily in mixed-mode buildings or as a retrofit to industrial/commercial applications. Climate projections for the UK generally indicate an increase in the summer wet-bulb depression, suggesting an enhanced potential for the application of evaporative cooling. The paper illustrates this potential by an analysis of the probabilistic scenarios released under UKCP09, together with a detailed building/plant simulation of case study building located in the South-East of England. The results indicate a high probability that evaporative cooling will still be a viable low-energy technique in the 2050s.

Characterising the energy performance of centralised HVAC&R systems in the UK

Heating, ventilation, air conditioning and refrigeration (HVAC&R) systems account for more than 60% of the energy consumption of buildings in the UK. However, the effect of the variety of HVAC&R systems on building energy performance has not yet been taken into account within the existing building energy benchmarks. In addition, the existing building energy benchmarks are not able to assist decision-makers with HVAC&R system selection. This study attempts to overcome these two deficiencies through the performance characterisation of 36 HVAC&R systems based on the simultaneous dynamic simulation of a building and a variety of HVAC&R systems using TRNSYS software. To characterise the performance of HVAC&R systems, four criteria are considered; energy consumption, CO2 emissions, thermal comfort and indoor air quality. The results of the simulations show that, all the studied systems are able to provide an acceptable level of indoor air quality and thermal comfort. However, the energy consumption and amount of CO2 emissions vary. One of the significant outcomes of this study reveals that combined heating, cooling and power systems (CCHP) have the highest energy consumption with the lowest energy related CO2 emissions among the studied HVAC&R systems.

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.

Validated model and study of a rammed earth wall building

A 2100 m² (GFA) two-storey rammed earth building was built on the Thurgoona campus of Charles Sturt University in 1999. The building is novel both in the use of materials and equipment for heating and cooling. The climate at Wodonga can be characterised as hot and dry, so the challenge of providing comfortable working conditions with minimal energy consumption is considerable. This paper describes a thermal model of one of the second-storey offices on the west-end of the building. The simulation software, TRNSYS, has been used to predict office temperatures and comparisons are made between these and measurements made over a typical week in summer. Reasonable agreement has been achieved under most conditions. The model has been used to investigate key building parameters and strategies, including night flushing, to improve the thermal comfort in the office.

Towards a digital representation of physical phenomena to assess comfort in future environments

This paper presents the concept and a test implementation of a digital representation of the physical world designed to assess comfort quality in
future environments. An integrated set of physical phenomena is modeled three-dimensionally to investigate the dynamic behavior of design objects
holistically.

The formulation supports the integration of computational simulation in the performance-based design process. It employs the principles of
geometrical and physical selfcontainedness to avoid that complex geometrical and physical circumstances have to be specified at design time. The concepts of congeneric cells and congeneric conjunctions are
introduced to simulate various physical phenomena simultaneously with a uniformly structured set of equations.

The concept, the prototype implementation and selected test cases are presented. Although it was not possible to implement all features and model parts completely, the research and the discussion of its achievements make valuable contributions towards more effective integration of computational simulation in the performance-based design process.

Dynamic computer simulations of electrophoresis: three decades of active research

Dynamic models for electrophoresis are based upon model equations derived from the transport concepts in solution together with user-inputted conditions. They are able to predict theoretically the movement of ions and are as such the most versatile tool to explore the fundamentals of electrokinetic separations. Since its inception three decades ago, the state of dynamic computer simulation software and its use has progressed significantly and Electrophoresis played a pivotal role in that endeavor as a large proportion of the fundamental and application papers were published in this periodical. Software is available that simulates all basic electrophoretic systems, including moving boundary electrophoresis, zone electrophoresis, ITP, IEF and EKC, and their combinations under almost exactly the same conditions used in the laboratory. This has been employed to show the detailed mechanisms of many of the fundamental phenomena that occur in electrophoretic separations. Dynamic electrophoretic simulations are relevant for separations on any scale and instrumental format, including free-fluid preparative, gel, capillary and chip electrophoresis. This review includes a historical overview, a survey of current simulators, simulation examples and a discussion of the applications and achievements of dynamic simulation.