A metodologia de validação proposta foi desenvolvida e testada inicialmente em edificações ide- alizadas e simuladas em no software de simulação EnergyPlus, adequado para as análises desenvol- vidas. O uso das edificações simuladas permitiu a flexibilidade necessária para o teste de ferramentas diversas e aferição da mais adequada metodologia para a prática proposta.
3.1.1 O software EnergyPlus
O EnergyPlus é uma ferramenta desenvolvida pelo Lawrence Berkeley National Laboratory em sociedade com outros laboratórios para o Departamento de Energia Norte-Americano (U.S. Depart- ment of Energy - DOE). É considerado um dos mais conceituados programa de simulação energética de edificações. O software, lançado em 2001, combina as funcionalidades dos seus antecessores Blast (Building Loads Analysis and System Thermodynamics) e DOE-2, concebidos pelo DOE no fim da década de 70. Tanto seus programas precursores quanto o EPlus foram validados por diversos
métodos, inclusive o BESTEST1(Building Energy Simulation Test).
O software possui vários módulos de simulação que, em conjunto, permitem a simulação do comportamento energético de edificações. O ponto central da simulação é a integração do balanço térmico dos elementos constituintes do edifício e seus sistemas energéticos quando expostos a dife- rentes meios ambientes e condições de funcionamento.
A figura 3.2 mostra o diagrama de entradas e saídas do programa. Os dados de entrada para a simulação são aqueles relativos à descrição da edificação, como sua localização, entorno, orientação, dados climáticos e suas coordenadas para a concepção do desenho, a especificação de todos os mate- riais e suas formas de aplicação no projeto; rotinas de utilização pelos usuários do edifício durante o ano; dados dos ganhos térmicos internos gerados por pessoas, equipamentos e sistemas; e dados dos sistemas de iluminação e climatização existentes. Diversas saídas estão disponíveis como temperatura e umidade por zona e consumos de energia.
O arquivo climático, conforme o RTQ-R, deve no mínimo, fornecer valores horários para to- dos os parâmetros relevantes requeridos pelo programa de simulação, como temperatura e umidade,
1Testes de validação concebido segundo a ASHRAE Standard 140 - Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs
Energy Plus
Arquivo climático
Geometria Materiais e soluções da envoltória Zonas térmicas Sistemas elétricos e equipamentos Infiltração, ventilação e fluxo de ar entra as zonas
Rotinas de ocupação SIstemas de climatização
Temperaturas e umidades internas de cada zona térmica Ganhos e perdas internas de calor
Consumo de energia por zona e por sistema ...
Figura 3.2: Diagrama de entradas e saídas do Energy Plus
direção e velocidade do vento e radiação solar [RTQ, 2010] . Devem ser utilizados arquivos cli- máticos disponibilizados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos ou no site do PRO-
CEL/ELETROBRÁS, como o TRY2e, além disso, os dados devem ser representativos da zona bio-
climática onde o edifício está inserido.
As rotinas de ocupação da edificação são informações sobre o número de pessoas e acionamento de sistemas de acordo com os usos típicos da edificação, e.g. segunda a sexta-feira de 07 às 17 horas. Como o EnergyPlus não considera a aleatoriedade nessa rotina, foi criado uma plataforma no
software MATLAB R que gera, a partir de um padrão de ocupação, todos os dias do ano, inserindo
uma pequena variabilidade tanto no horário de início / término de atividades quanto no número de pessoas presentes.
3.1.2 Exemplo de caso de uma edificação residencial
Para a demonstração de uma tipologia residencial, um caso exemplo é modelado e simulado no EnergyPlus. A edificação do caso exemplo residencial (figura 3.3) é formada por quatro ambientes: sala, quarto, cozinha e banheiro, com área total de 30,25 m2. As propriedades construtivas das paredes e coberturas, assim como suas as transmitâncias (U) e capacidades térmicas (CT), foram definidas com base nos materiais típicos utilizados em edificações residenciais brasileiras, detalhados pela NBR - 15220: Desempenho térmico de edificações [ABNT, 2005]. Para esta edificação foi adotada uma janela padrão para sala, cozinha e quarto com abertura retangular de 1,5 m de largura, 1,5 de altura e
2O arquivo TRY (Test Reference Year) representa um ano real de dados referentes a um período de registro disponível de 10 anos ou mais [Pereira et al., 2004].
2 m 3 m 2, 5 m Sala Quarto Cozinha Banheiro 3,5 m
Figura 3.3: Caso exemplo residencial
1,0 m de peitoril. As janelas foram modeladas com área 100% envidraçada com vidro simples de 6
mme nenhum sombreamento foi utilizado. Na janela do banheiro foi definida uma abertura retangular
de 1,0 m de largura, 0,6 m de altura e 1,5 de peitoril. As aberturas de portas são iguais para todos os ambientes com aberturas de 2,1 m de altura e 0,8 m de largura.
O sistema de climatização modelado foi o HVACTemplateZone. Este dispensa modelagem de um sistema completo de climatização. As variáveis ambientais de temperatura e umidade relativa internas a cada uma das zonas assim como o consumo energético total da edificação foram simulados, utilizando o arquivo climático fornecido pelo DOE para a cidade de Belo Horizonte, pelo período de um ano com intervalo de amostragem de 1 hora.
3.1.3 Exemplo de caso de uma edificação comercial
Para a demonstração de uma tipologia de uma edificação comercial, um exemplo de caso é mo-
delado e simulado no EnergyPlus. Este exemplo refere-se a uma edificação de 1800 m2divididos em
três andares. A edificação é dividida em três zonas térmicas por andar como mostra a figura 3.4. A zona térmica central é onde estão as áreas recepção e de corredores, ou seja, áreas de passagem de pessoas. As zonas térmicas laterais consistem em dois grandes espaços para a colocação de baias e estações de trabalho.
As propriedades das construções de paredes e coberturas, assim como as transmitâncias (U) e capacidades térmicas (CT) das paredes e cobertura, utilizadas foram as mesmas da edificação resi-
20 m 8 m 20 m 1 5 m Zona 1 Zona 2 Zona 3
(a) Planta Baixa (b) Visão 3D
Figura 3.4: Caso exemplo de prédio comercial dencial por se tratarem de características típicas de edificações brasileiras.
A edificação foi simulada em duas situações: operando (1) com ventilação natural e (2) com um sistema de climatização artificial de ar. A ventilação natural foi modelada pelo Airflow Network, multizona, sendo que os coeficientes de pressão do vento foram calculados pelo EnergyPlus. O sistema de climatização artificial foi modelado pelo HVACTemplateZone. As variáveis ambientais de temperatura e umidade relativa internas a cada uma das zonas assim como o consumo energético total da edificação foram simulados pelo período de um ano com intervalo de amostragem de 1 hora.