Dada a área do edifício, terá de se efectuar uma simulação dinâmica multizona no âmbito do RSECE, com um programa de cálculo que cumpra a norma ASHRAE 140-2004 12. Optou-se pela utilização do programa EnergyPlus.
Trata-se de um programa de simulação integrada de edifícios e de sistemas de climatização, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América. Este resultou da união das melhores potencialidades de dois programas – BLAST e DOE-2 – e ainda da introdução de novas funcionalidades.
O EnergyPlus é constituído por vários módulos internos (cf. Figura 1.28), de forma a facilitar a organização dos dados de entrada e também para permitir uma mais fácil introdução futura de mais opções de cálculo. Este considera nos seus algoritmos de cálculo princípios de volumes de controlo e conservação de massa e de energia; e de transmissão de calor por condução, convecção e radiação. O programa calcula a condução de calor através dos elementos construtivos, em regime transiente, e considera as suas inércias térmicas. Calcula igualmente a transferência de ar entre zonas, através de
12 ANSI/ASHRAE Standard 140-2001, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs (http://www.ashrae.org/File%20Library/docLib/Public/2004715124811_347.pdf).
uma análise por nós; e ainda analisa em detalhe os circuitos de ar e de água dos sistemas de climatização, assim como os seus consumos.
O input do programa é feito através de ficheiros de tipo IDF (Input Data Files), onde são colocados vários valores nos inúmeros parâmetros possíveis de simulação. Os parâmetros são por sua vez agrupados em grupos, ou classes, segundo a área da simulação que abordam, para permitir uma mais fácil identificação destes. Por exemplo, todos os parâmetros que definem os materiais construtivos são agrupados numa classe Materials e todos os que definem os ganhos internos do edifício são agrupados numa classe Internal Gains.
Os outputs do programa são inúmeros e permitem inspeccionar a influência de praticamente todas as variáveis na simulação. Embora este número seja uma mais valia é também uma desvantagem, dado que nem sempre é fácil saber que outputs se devem escolher e a quantidade de informação presente nos ficheiros de saída pode ser enorme, sendo necessários programas externos para efectuar a sua análise.
Figura 1.28 – Esquema simplificado do funcionamento modular do EnergyPlus.
O EnergyPlus efectua os seus cálculos por etapas. Para um edifício que tenha zonas a climatizar, sistemas de climatização e equipamentos auxiliares a estes (como caldeiras ou torres de arrefecimento), o programa calcula em primeiro lugar as cargas térmicas que existem nas zonas do edifício (zone sizing); de seguida analisa como o sistema de climatização irá funcionar para climatizar essas zonas (system sizing); passando depois para a mesma análise para os equipamentos auxiliares (plant sizing). No final as ligações entre estes três elementos são analisadas, através dos cálculos do circuito de ar climatizado (air loop) e dos circuitos de fluídos de circulação dos sistemas de climatização (water loop). Consulte-se a Figura 1.29.
Figura 1.29 – Loops considerados no EnergyPlus.
Antes de se começar a trabalhar com este programa é fundamental ler os seus (muito úteis) documentos de ajuda. O Getting Started [9] fornece uma introdução às bases do programa e dá exemplos de simulações para treino. O Input-Output Reference [10] explica todos os parâmetros e valores que podem ser introduzidos para as simulações e que tipos de resultados se podem obter. Estes últimos são mais aprofundados no Output Details and Examples [11]. No Engineering Reference [12] encontram-se explicados em detalhe os principais algoritmos do programa e todos os modelos físicos em que estes se baseiam. Finalmente o Auxiliary Programs [13] explica o funcionamento dos programas auxiliares, que são instalados com o pacote original do EnergyPlus.
Recomenda-se a leitura do Anexo D, onde é apresentada uma lista das vantagens que levaram este programa a ser utilizado nesta dissertação, assim como uma lista das suas limitações.
Programas auxiliares do EnergyPlus
Sendo o EnergyPlus apenas o programa de simulação em si, é necessário utilizarem-se programas exteriores para fazer o input e analisar os outputs deste. O arranque das simulações, a escolha de ficheiros IDF e climáticos, a abertura dos ficheiros de output, as configurações do programa e muitas outras opções são feitas na interface EP-Launch (cf. Figura 1.30), que se trata assim de uma espécie de menu principal e inicial para o EnergyPlus.
Para a criação e edição dos ficheiros IDF necessários para efectuar as simulações, utiliza-se o programa IDF Editor. Observem-se na Figura 1.31 os vários campos.
Figura 1.30 – Aspecto da interface EP-Launch.
Para a visualização de resultados existem vários programas, mas os mais usados nesta dissertação foram o EP-Compare, que apresenta uma comparação entre várias simulações com gráficos de barras de um número limitado de variáveis dos resultados; o Open Studio Results Viewer, que necessita que o output dos resultados seja feito num ficheiro de tipo SQL, que pode atingir um tamanho considerável; e o xEsoView, que necessita que utiliza os ficheiros de tipo ESO de output. Estes dois últimos podem ilustrar graficamente vários resultados; embora não sejam instalados directamente com o EnergyPlus, são gratuitos. Note-se que todos estes programas só analisam resultados que foram pedidos no início da simulação, através do ficheiro IDF. Para se saber que tipo de resultados o programa pode incluir no seu output, deve-se consultar o ficheiro de tipo RDD criado no final de cada simulação.
Figura 1.31 – Programa IDF Editor
Notas finais
Esta dissertação não pretende de forma alguma ser um tutorial para o EnergyPlus. Para tal o programa traz já de origem vários materiais de apoio e vários manuais de ajuda em formato digital. Assim sendo esta dissertação não dispensa de forma alguma a consulta dos manuais do programa e respectivas descrições pormenorizadas para cada parâmetro e campo introduzido.
As opções tomadas na simulação em EnergyPlus realizada nesta dissertação serão explicadas dentro do possível, com o objectivo de esclarecer os leitores e de manter o seu espírito crítico. Isto porque para uma mesma simulação, várias opções – dentro do enorme número destas que o EnergyPlus permite editar – poderão ser tomadas, e no final o resultado acabar por ser semelhante.
Sempre que se omita nesta dissertação algum parâmetro ou campos e valores destes, deve-se considerar que foram utilizados os valores por defeito do programa, ou que não foram utilizados de todo por não serem relevantes para este estudo em particular. A descrição das ligações necessárias a fazer para a modelação do edifício e dos sistemas de climatização (que são basicamente instruções de como ligar cada componente, como se de um puzzle se tratasse) foi omitida pois teria tanto de fastidiosa e exaustiva como de desnecessária e irrelevante para a compreensão da simulação.
Pondo de parte então a hipótese de ser um tutorial, esta dissertação pretende no entanto chamar à atenção para vários problemas e dificuldades que surgem na utilização do EnergyPlus e para algumas soluções e caminhos alternativos possíveis. Pretende também salientar e demonstrar algumas das inúmeras potencialidades deste programa.