5. SIMULAÇÕES
5.3. TIPOS DE PERÍODOS SIMULADOS
São simulados dois tipos períodos: utilizando dias de projeto de verão e inverno, que dimensionam o sistema de condicionamento de ar; e utilizando arquivos climáticos anuais, que possibilitam estimar o consumo elétrico da edificação. Nesta seção estes tipos de períodos simulados são descritos.
5.3.1. Dias de Projeto
Uma simulação feita com o uso de um dia de projeto de uma determinada cidade é utilizada para dimensionar o sistema de HVAC de uma edificação. Geralmente se utilizam dois dias de projeto, um para verão e outro para inverno, respectivamente para calcular carga térmica de resfriamento e aquecimento. Um dia de projeto pode ser definido, para o verão, como o dia do ano em que o sistema de HVAC mais solicita potência de resfriamento, e para o inverno, como o dia do ano em que o sistema de HVAC mais solicita potência de aquecimento.
São simulados dias de projeto estatísticos definidos pela ASHRAE, 2001. Para garantir que o condicionamento de ar tenha rendimento satisfatório, trabalha-se com 1% de freqüência de ocorrência cumulativa anual para o verão e 99% para o inverno. Isto significa que, no verão o sistema de condicionamento de ar não será capaz de manter a temperatura de projeto de verão do ambiente em no máximo 1% das 8760 horas do ano, e no inverno este sistema será capaz de manter a temperatura de projeto de inverno do ambiente em no mínimo 99% destas horas.
As Tabelas 5.11 e 5.12 mostram, respectivamente, os dados de condições climáticas de dia de projeto de verão (resfriamento) e inverno (aquecimento) para as cidades simuladas.
Tabela 5.11. Condições climáticas de dia de projeto de verão para as cidades simuladas. Cidade Tbs [°C] ΔT [°C] Tbu [°C] P [kPa] umáx [m/s] D Belém – PA 32,5 8,2 25,3 101,13 2,9 90° Brasília – DF 30,9 13,0 18,2 89,21 3,2 90° Porto Alegre – RS 33,5 9,5 24,0 101,29 3,0 290° Recife – PE 32,7 6,3 25,6 101,10 5,2 120° São Paulo – SP 30,9 8,3 20,3 92,04 2,6 330°
Tabela 5.12. Condições climáticas de dia de projeto de inverno para as cidades simuladas. Cidade Tbs [°C] ΔT [°C] Tbu [°C] P [kPa] umáx [m/s] D Belém – PA 22,8 0 22,8 101,13 0,7 90° Brasília – DF 10,8 0 10,8 89,21 0,2 90° Porto Alegre – RS 6,1 0 6,1 101,29 0,7 240° Recife – PE 21,8 0 21,8 101,10 2,3 240° São Paulo – SP 9,9 0 9,9 92,04 2,0 160°
onde: Tbs é a temperatura de bulbo seco [°C]; T
Δ é a amplitude da variação da temperatura de bulbo seco [°C];
bu
P é a pressão atmosférica local [kPa]; máx
u é a velocidade máxima do vento [m/s];
D é a direção do vento (N = 0°; L = 90°; S = 180°; O = 270°) [°]
Para o inverno, foi escolhido o dia 21 de julho. É importante salientar que a ASHRAE considera a temperatura de bulbo seco constante ao longo do dia de projeto (como pode ser observado na Tabela 5.12), além de considerar céu completamente nublado em todas as cidades.
Já para o verão decidiu-se trabalhar com quatro dias de verão: 21 de dezembro, 21 de janeiro, 21 de fevereiro e 21 de março. Os dados de dias de projeto de verão são rigorosamente iguais, porém as datas determinam posições solares diferentes, de modo que, por exemplo, em Porto Alegre, no mês de março, no qual ocorre o equinócio de outono, há uma maior insolação diária nas fachadas norte do que em dezembro, quando ocorre o solstício de verão. Dessa forma, optou-se por quatro dias de verão como critério para tratar a grande heterogeneidade climática entre as cidades avaliadas.
A Figura 5.6 mostra, para os dias de projeto de verão, a evolução diária da temperatura de bulbo seco externa das cinco capitais simuladas, de acordo com a temperatura de bulbo seco máxima e a amplitude da variação da temperatura de bulbo seco, dados estes mostrados na Tabela 5.11.
Evolução Diária da Temperatura de Bulbo Seco Externa
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora do dia de projeto de verão [hs]
Tem pe rat u ra de bul b o s eco ex ter n a [° C ] Belém - PA Brasília - DF Porto Alegre - RS Recife - PE São Paulo - SP
Figura 5.6. Evolução diária da temperatura de bulbo seco externa.
Na Figura 5.6, se destaca a maior amplitude térmica de Brasília. Isto ocorre porque Brasília é a única cidade que possui um clima continental, sendo que as demais cidades possuem climas oceânicos (São Paulo e Porto Alegre são fortemente influenciadas pela proximidade do litoral). Devido aos mares e oceanos, um clima oceânico é caracterizado por possuir uma inércia
térmica maior que a de um clima continental. Assim, para os dias de projeto de verão, as perdas térmicas de uma edificação em Brasília são maiores que nas demais cidades.
5.3.2. Arquivos Climáticos
Uma simulação feita com o uso de um arquivo climático de uma determinada cidade é utilizada para predizer o consumo elétrico de uma edificação, seja o consumo do sistema de
HVAC, o consumo do restante dos equipamentos elétricos ou o consumo total da edificação
(soma dos dois anteriores). Arquivos climáticos são necessários quando se deseja simular um período do ano pré-definida pelo usuário, os run periods.
A composição de um arquivo climático começa com a medição, em uma localidade, de uma série de dados meteorológicos horários por um longo período de tempo (10 anos ou mais). No caso de se medir durante 10 anos, por exemplo, haverá 120 meses medidos, ou seja, 10 janeiros, 10 fevereiros, e assim sucessivamente até dezembro. A partir de um tratamento estatístico dos dados, escolhem-se um a um os meses anuais que melhor representam o clima da localidade medida. A compilação destes doze meses mais representativos é o arquivo climático.
Além dos dados de localização geográfica mostrados na Tabela 5.9, um arquivo climático contém as informações climáticas horárias para as 8.760 horas do ano mostradas na Tabela 5.13.
Tabela 5.13. Informações horárias constantes em um arquivo climático.
Informação climática Unidade Informação climática Unidade
Data e hora - Iluminação horizontal difusa lux
Temperatura de bulbo seco °C Iluminação normal direta lux
Temperatura de orvalho °C Claridade zenital Cd/m2
Umidade relativa % Direção do vento °
Pressão atmosférica Pa Velocidade do vento m/s
Radiação extraterrestre horizontal Wh/m2 Índice de cobertura do céu (0 à 1) - Radiação extraterrestre direta Wh/m2 Índice de opacidade do céu (0 à 1) -
Radiação IV horizontal do céu Wh/m2 Visibilidade Km
Radiação horizontal global Wh/m2 Altura das nuvens m
Radiação horizontal difusa Wh/m2 Precipitação de água mm
Radiação normal direta Wh/m2 Profundidade da neve cm
Iluminação horizontal global lux Número de dias sem cair neve - Foram utilizados cinco arquivos climáticos, um para cada cidade, no formato EPW (EnergyPlus Weather), próprio do EnergyPlus. Com exceção do arquivo climático para Porto Alegre, que foi feito pelo Laboratório de Vapor e Refrigeração, os demais foram obtidos da página virtual oficial do EnergyPlus [Energy Efficiency and Renewable Energy, 2003].
É importante salientar que “o EnergyPlus não requer arquivos climáticos com 8.760 horas no caso de simulação de períodos curtos e permite gerar arquivos com partes da hora (por exemplo quinze minutos)” [Grings, 2003]. O programa ainda permite que o usuário escolha, no arquivo IDF, qual tipo de período será simulado: usando dias de projeto, arquivo climático ou os dois tipos simultaneamente, este último sendo utilizado neste trabalho.