Definição da construção do corpo central do edifício e das suas zonas

A classe Thermal Zones and Surfaces inclui os parâmetros necessários para a definição geométrica e construção do edifício, como paredes, pavimentos, coberturas, portas e envidraçados. É também feita a associação de cada um destes aos materiais que os constituem, que foram definidos nos pontos anteriores.

A construção do edifício, utilizando a interface base do EnergyPlus – o IDF-Editor –, é feita definindo pontos geométricos do edifício e ligando-os com rectas, sendo depois o desenho gravado num ficheiro do tipo dxf. Para este ser visualizado é necessário utilizar um programa, exterior ao EnergyPlus, para o efeito. Para esta dissertação utilizou-se o programa gratuito DraftSight. Assim sendo o processo de desenho do edifício é feito definindo cada ponto da construção no IDF-Editor, colocando as várias coordenadas geométricas de cada um. Depois é necessário gravar o ficheiro e visualizá-lo neste segundo programa, para ver o desenho do edifício em três dimensões. Este processo tem de ser repetido inúmeras vezes ao longo do processo, de forma a detectar e corrigir prontamente erros na introdução e definição da construção.

Este método de construção do edifício é bastante complexo. Pode levar a vários erros e demorar várias semanas a realizar e corrigir, dado apresentar as desvantagens de seguida descritas:

· As linhas do edifício não apresentam espessura: no caso das paredes não é muito grave, desde que se tenha em atenção as áreas de cada zona. Já no caso dos pavimentos intermédios é bem mais complicado porque a espessura destes não é representada, e caso seja significativa, leva a problemas com a definição das alturas.

Nesta situação encontraram-se duas soluções: unir os pavimentos mas não deixar o programa calcular a altura das zonas e introduzir o valor manualmente, descontando a espessura do pavimento; ou então não unir os pavimentos, mas tal deixa os pisos de um edifício desconectados e com um vazio entre eles. Isto é bastante bizarro de se observar, mas na prática não tem qualquer influência na simulação, desde que se definam bem os materiais constituintes e as ligações entre os elementos construtivos. Relembre-se que o programa não considera que em elementos deixados em aberto circule ar exterior.

· Para edifícios de dimensão considerável é bastante difícil verificar se este se encontra

bem desenhado: este ponto é tanto mais grave quanto menos elaborado for o programa externo

ao EnergyPlus que se use para visualizar o desenho do edifício (ficheiro .dxf) e quanto mais complexa for a geometria do edifício e respectivas zonas. Não obstante o EnergyPlus mostrar avisos quando uma zona não tem chão, tecto e quatro paredes, tal torna-se irrelevante para zonas com mais do que quatro paredes. As ligações entre chão e tecto com as paredes também são desprezadas, porque o EnergyPlus considera que estes não têm de coincidir em forma ou

desenho do edifício ainda mais difícil de compreender. Num programa de visualização que seja limitado, rapidamente o desenho do edifício se torna simplesmente um emaranhado de linhas, mesmo que estas tenham cores diferentes consoante o tipo de elemento construtivo que representem. Veja-se como exemplo o corpo do edifício representado numa situação destas na Figura 2.10.

· A definição no editor base do EnergyPlus da geometria dos elementos construtivos é

demorada, fastidiosa e muito propensa a erros de introdução: considerando o número total

de elementos a definir, que para o corpo do edifício em estudo ronda os 350, entre paredes, pavimentos e tectos, portas e vidros, calcule-se então o número de pontos e das suas respectivas posições nos eixos x, y e z que serão necessários definir. Tal faz com que o desenho de um edifício de área considerável no programa, como é o caso neste estudo, se possa alongar por vários dias ou até semanas. Além disso, como já se referiu, será necessário gravar e abrir várias vezes o ficheiro de desenho para verificar se o desenho se está a desenrolar como desejado, o que aumenta ainda mais o tempo despendido.

Figura 2.10 – Desenho do corpo do edifício em estudo e dos edifícios que lhe provocam sombreamento, em formato dxf, quando visualizado no programa gratuito DraftSight.

Mais uma vez, como se pode ver, as interfaces alternativas do EnergyPlus, em especial as em 3D, desenvolvidas por empresas externas, ganham importância e peso. No entanto, dentro destas, as que são fornecidas gratuitamente apresentam ainda (à data de publicação desta dissertação) muitas

limitações e erros. Assim sendo optou-se por preferir o rigor à poupança de tempo no desenho do edifício nesta dissertação, utilizando-se então apenas o IDF Editor.

GlobalGeometryRules

Como a definição da geometria é feita ponto a ponto, primeiro será necessário definir com que ordem estes são colocados, de forma ao EnergyPlus conseguir “compreender” como estes devem ser ligados entre si e que face do elemento resultante se encontra virada para o exterior e para o interior21.

Assim, neste parâmetro, define-se qual o vértice do elemento que é sempre considerado como o inicial (cf. Figura 2.11), tendo-se escolhido o canto inferior esquerdo (Starting Vertex Position -> LowerLeftCorner). Depois é definida a ordem com que os restantes pontos são colocados, tendo sido escolhido o sentido anti-horário (Vertex Entry Direction -> Counterclockwise). Definiu-se que os sistemas de coordenadas para a construção do edifício serão relativos para cada zona ao invés de absolutos (Coordinate System -> Relative), de forma a facilitar a introdução e correcção de coordenadas de pontos (cf. Figura 2.12).

Figura 2.11 – Ordem de definição de pontos escolhida.

Figura 2.12 – Diferença da definição de pontos para duas zonas com referenciais distintos, usando um sistema de coordenadas absoluto

(esquerda) ou dois sistemas relativos (direita).

Zone, ZoneList e ZoneGroup

No parâmetro Zone definem-se as zonas: os seus nomes, a posição do sistema de coordenadas relativo de cada uma em relação ao absoluto do edifício, introduzem-se os valores de altura e volume ou se estes devem ser calculados a partir das posições dos pontos (autocalculate) e se a área dessa zona conta para a área total do edifício ou não. Podem ser ainda escolhidos os algoritmos de convecção usados na simulação, caso estes não tenham sido definidos nos parâmetros SurfaceConvectionAlgorithm.

21 _{Felizmente o EnergyPlus, no início da simulação, cruza os dados deste parâmetro com os inseridos no} Construction e caso detecte que a face exterior da construção tenha sido definida, na geometria, como interior, ou vice-versa, cria um aviso.

agrupando-se assim, por exemplo, as zonas com utilizações/funções similares.

Definição das geometrias dos elementos construtivos

Para se definirem as geometrias dos elementos construtivos pode-se utilizar simplesmente o parâmetro BuildingSurface:Detailed para todos eles. No entanto é necessário inserir muita informação, o que demora muito tempo e é propenso a erros. Na versão 6.0 do EnergyPlus, já se encontram outros parâmetros mais específicos para cada tipo de elemento, bem mais simples de preencher e com melhor organização do ficheiro de simulação. Como tudo indica que essa forma de definir os elementos irá ser continuada e desenvolvida nas próximas versões do programa, será a forma utilizada nesta simulação. Na Figura 2.13 está representada a lista completa de parâmetros que se encontram na classe Thermal Zones and Surfaces. Note-se que os parâmetros utilizados têm números à frente, correspondentes ao número de elementos distintos que foram introduzidos. Os que não foram utilizados têm [- - -] à frente.

Figura 2.13 – Parâmetros disponíveis na classe Thermal Zones and Surfaces.

Assim as paredes são definidas nos parâmetros Wall. Estes têm vários sub-tipos: – Wall:Exterior: paredes exteriores;

– Wall:Adiabatic: paredes interiores de separação de zonas com temperatura idêntica22; – Wall:Underground: paredes abaixo do solo23;

22 _{Estando ambas as faces a temperatura idêntica, terá um comportamento, na prática, próximo a de um} elemento adiabático. Ao considerar uma parede deste tipo como adiabática, poupa-se esforço computacional na simulação sem sacrificar significativamente a sua exactidão.

– Wall:Interzone: paredes interiores de separação entre um espaço climatizado e um espaço não-climatizado;

– Wall:Detailed: permite definir qualquer tipo de parede. Deve ser utilizado para casos especiais que não sejam cobertos pelos parâmetros anteriores, por necessitar de maior quantidade de informação.

Algumas paredes interiores que existem no edifício não foram consideradas na simulação. Estas dividem salas que têm a mesma utilização e que são climatizadas pela mesma unidade, como por exemplo as paredes que separam salas de aula anexas ou as que dividem os espaços nos laboratórios. Esta consideração é sugerida pelo EnergyPlus, na secção “A Methodology for Using EnergyPlus” no seu manual de ajuda “Getting Started” [9]. Este refere que a diferença entre simular um edifício com todas as suas paredes internas ou simular o mesmo edifício apenas com as suas paredes exteriores e substituindo as paredes omissas por um corpo teórico interior – com uma determinada “massa interna”, igual à soma das massas destas paredes – será de tal forma pequena que faz a simplificação compensar. Verifique-se a Figura 2.14. Entre o edifício representado de forma exacta, à esquerda, ou de forma simplificada à direita, os resultados não apresentam diferenças apreciáveis (desde que o edifício seja todo climatizado por uma única unidade e não existam grandes discrepâncias nos ganhos solares e na convecção do ar entre os vários espaços).

Caso as zonas sejam climatizadas por unidades distintas, tenham ganhos de calor discrepantes ou utilizações diferentes, deve-se utilizar uma configuração intermédia entre as representadas na Figura 2.14, como a presente na Figura 2.15. Este será o método utilizado nesta dissertação.

Sendo assim, não se introduziram detalhadamente as paredes interiores das zonas definidas, inserindo-se apenas a sua massa, no parâmetro InternalMass. O EnergyPlus simplifica a introdução destes valores, sendo necessário inserir apenas a área e tipo de construção que é usado nas paredes interiores omitidas. O cálculo da massa é depois realizado automaticamente pelo programa.

23 _{Caso uma parede tenha uma parte debaixo do solo e outra acima, a parede deve ser definida em duas} partes.

Figura 2.14 – Imagens retiradas do documento Getting Started [9]. À esquerda vemos o edifício com todas as suas paredes exteriores e interiores definidas. À direita temos o mesmo edifício, apenas com as paredes exteriores e com elementos

internos com uma dada massa interna equivalente à soma de todas as paredes interiores.

Figura 2.15 – Imagem retirada do documento Getting Started [9]. Uma outra definição das zonas do edifício, intermédia entre as duas definições da figura anterior.

Por sua vez, os pavimentos em contacto com outras zonas são definidos no parâmetro Floor:Detailed e os em contacto com o solo no parâmetro Floor:GroundContact. Deu-se prioridade à utilização do Detailed em detrimento dos outros tipos de parâmetros por se ter considerado ser mais simples de evitar erros na introdução. E, pelo mesmo motivo, os tectos e a cobertura do edifício foram inseridos no parâmetro RoofCeiling:Detailed. As portas foram inseridas no parâmetro Door, onde é necessário apenas colocar o seu tipo de construção, dimensões e em que parede se encontra embutida.

Vãos envidraçados e dispositivos de protecção solar

Por sua vez, para a definição dos vãos envidraçados, será necessário utilizar vários parâmetros. Primeiro devem-se definir o caixilho dos envidraçados e os dispositivos de protecção solar. Os caixilhos são definidos em WindowProperty: FrameAndDivider. Foi colocado como largura, da periferia para o interior do vão, do caixilho 12,5 cm (Frame Width) e como coeficiente U o valor 25 W/(m2.K) (Frame Conductance), dado que se considera que os caixilhos serão de alumínio. Não foram introduzidas quadrículas nos envidraçados. Os restantes campos foram deixados com os valores por defeito.

No parâmetro Window, são inseridos o tipo de caixilho, o tipo de dispositivo de protecção solar (se o tiver), que tipo de vão envidraçado – definido no parâmetro Construction – se trata e, finalmente, em que elemento construtivo (neste caso parede) se encontra embutida.

Os dispositivos de protecção solar são definidos em WindowProperty: ShadingControl. Foi necessário definir dois tipos de protecção, embora tendo as mesmas propriedades, um para os vãos envidraçados com vidro simples e outra para vidros duplos. A associação aos tipos de vãos é feita no campo Construction with Shading Name. Relembre-se que as protecções usadas são exteriores (Shading Type -> ExteriorBlind).

É necessário também definir uma schedule para a activação dos estores. Esta schedule é introduzida no campo Schedule Name e colocando a opção Yes no campo Shading Control is Scheduled. Estudou-se a utilização de três schedules diferentes, uma primeira que se baseia nos períodos de activação e desactivação das protecções solares estipulados no RCCTE, uma segunda baseada na realidade do edifício, em que os estores são deixados estendidos e com as lâminas a 45º, sendo raramente alterados ao longo do ano, e uma terceira baseada numa utilização mais activa e sensata, em que os estores são accionados sempre e logo que se ache necessário e desactivados caso contrário.

O RCCTE considera que na estação de aquecimento, durante o dia (solar), as protecções solares nunca estão activadas; na estação de arrefecimento considera que estão accionadas 70% do dia e desactivadas nos restantes 30%.

(ou seja, recolhidos) entre as 7:00 e as 17:30 e nas restantes horas estão accionados com um ângulo de lâminas de 1º (ou seja, com as lâminas totalmente fechadas e sem intervalos entre si por onde entre luz solar directamente). Entre 1 de Junho a 30 de Setembro os estores estarão totalmente abertos das 7:00 às 9:00 e das 18:00 às 20:00, perfazendo cerca de 30% do dia em que existe luz solar, e estarão fechados nas restantes horas do dia.

Note-se que este horário não terá assim em conta a variação de horas diárias de sol ao longo do ano, apontando para uma média deste valor para cada estação. Esta consideração não tem impacto relevante nos resultados. Pequenos testes realizados onde, para a estação de aquecimento, se comparou o horário criado com a opção de os estores abrirem sempre que existisse luz solar, mostraram que os valores da simulação para as necessidades de aquecimento diferiam em apenas 1% entre as duas opções.

Para a terceira schedule os estores estarão fechados em três situações: de noite; quando o edifício se encontra muito quente e a necessitar de arrefecimento; ou quando a luz solar que entra nas zonas é intensa ao ponto de provocar incómodo aos utilizadores. Felizmente o EnergyPlus considera essa mesma opção, colocando-se no campo Shading Control Type o valor OnNightAndOnDayIfCoolingAndHighSolarOnWindow. O valor de luz solar, a passar por uma certa área de envidraçado, que se considera que ultrapassará o limite do conforto será de 95 W/m2, valor retirado da referência [16]. Para evitar que os estores fossem operados logo que o sol nascesse, a horas ou dias em que ninguém se encontra no edifício para os operar, foi também introduzida uma schedule que limita que só possam ser operados das 7h às 20h e apenas em dias úteis.

Existe no entanto um problema com esta consideração. Quem utilize o edifício facilmente verifica que a utilização dos estores por parte dos utilizadores é desleixada. Note-se que sendo o edifício um estabelecimento de ensino é raro o mesmo grupo de pessoas permanecer muito tempo na mesma zona, o que contribui para que isso aconteça. Na maior parte do tempo os estores permanecem semi-abertos, com as lâminas num ângulo de aproximadamente 45º, e raramente são operados. E se são fechados ou abertos a meio do dia, permanecem nessa posição durante o resto do dia ou até, por vezes, vários dias. A segunda schedule vão então reflectir esta utilização, com as lâminas permanentemente a 45º. Fizeram-se então simulações, com uma versão de teste do edifício para estas três situações (onde existe apenas a envolvente exterior do edifício, com os seus envidraçados, e os sombreamentos provocados pelos edifícios vizinhos e palas; ventilação, climatização, ganhos internos, ocupação e outros

24 _{Relembra-se que quer no local onde o edifício se encontra na realidade, quer no local considerado na} simulação (Almada e Lisboa respectivamente), o RCCTE estipula que a estação de aquecimento dura 5,3 meses e a de arrefecimento 4 meses.

elementos não foram considerados na simulação), e compararam-se as necessidades de aquecimento e de arrefecimento.

Observou-se que diferenças nas interpretações sobre o uso das protecções solares, mesmo que ligeiras, podem provocar diferenças significativas nos resultados, pelo que se justifica a atenção dada a este ponto. Por exemplo, a diferença entre a situação com os estores sempre accionados, mesmo que com as lâminas entreabertas, provoca um aumento nas necessidades de aquecimento em relação à agenda do RCCTE de cerca de 44%. Este aumento não é compensado (quer em valor absoluto quer relativo) pela redução de 29% nas necessidades de arrefecimento.

Sem surpresa constatou-se que as diferenças entre a agenda do RCCTE e a consideração de estores fechados consoante a necessidade de conforto (terceira opção), na estação de aquecimento, são desprezáveis. Como nesta estação dificilmente o edifício aquece demasiado (relembre-se que se excluíram os ganhos internos), ou existe exposição solar excessiva nas zonas, os estores estarão abertos praticamente o dia inteiro e fechados de noite, como considerado no RCCTE. Já a diferença na estação de arrefecimento começa a ser visível, pois nas horas escolhidas para o fecho dos estores durante o dia, na agenda RCCTE, podem existir horas em que os estores abertos permitam a entrada de demasiada radiação solar, e estejam fechados quando um maior contacto com o exterior, a uma temperatura inferior à interior, contribuiria para um maior arrefecimento das zonas.

Para a simulação realizada nesta dissertação foi então escolhida a terceira opção. Não se deve esquecer o impacto que uma utilização diferente dos estores provocará nos resultados. Retira-se então daqui que, na vida real, a regulação dos estores deve ser feita com um mínimo de cuidado. Parecendo um gesto fútil, acaba por ter um peso importante na factura energética, algo similar ao cuidado que é necessário ter com a utilização da iluminação eléctrica.

Sombreamento

O sombreamento causado pelos edifícios da faculdade vizinhos e pelos restantes corpos do edifício do DEMI são tratados no parâmetro Shading:Building. Neste, tal como se definem os elementos geométricos do corpo do edifício estudado, inserem-se as geometrias dos corpos e edifícios que provocam sombreamento. Assim, como se pode observar na anterior Figura 2.10, irão aparecer os seus contornos desenhados no ficheiro dxf, do desenho do edifício.

Já o sombreamento provocado por palas do próprio edifício é definido de forma similar no parâmetro Shading:Zone:Detailed. Existem parâmetros onde as palas seriam mais fáceis de definir, mas dada a forma geométrica algo peculiar das que se encontram no edifício, será necessário utilizar este.

Pontos em comum

Os campos a preencher em comum à maioria dos parâmetros anteriores são o nome do elemento, a que zona(s) a parede (ou elemento) pertence, que tipo de construção é utilizada nele, o seu ângulo de inclinação (paredes: 90º, pavimentos: 180º, tectos: 0º) e, como seria de esperar, os seus pontos geométricos, altura e comprimento.

Em alguns parâmetros é necessário referir se o elemento em causa está em contacto com vento e se recebe luz solar directa. Relembre-se que o EnergyPlus não considera situações como óbvias. Se um elemento é interior e tem obstáculos à luz solar e ao vento, o programa não considera esses dados automaticamente.