Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de Edifícios NZEB. Miguel Cavique

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Aplicação da Teoria de Projeto na

Obtenção de Edifícios NZEB

Lisboa, 16 de Outubro de 2014

Miguel Cavique

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Índice da apresentação

1- Os edifícios NZEB

2- Introdução ao Projecto e o AVAC; 3- O edifício modelado;

4- Os parâmetros usados na decomposição; 5- Análise paramétrica dos consumos de AVAC; 6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC; 7- Uma possibilidade de NZEB

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1- Edifícios NZEB

NZEB: Foco na energia despendida. Não considera a energia contida no edifício.

- N de net zero: equilíbrio entre a energia consumida e a produzida;

-Em muitos edifícios, cerca de 50% da energia vem da rede, pelo -Em muitos edifícios, cerca de 50% da energia vem da rede, pelo

que os NZEB não são isentos de emissões de carbono;

- Pode avaliar-se o contributo das renováveis da rede eléctrica;

- Net zero pode ainda considerar as perdas da rede;

- N de net zero em custo: equilíbrio entre os custos da energia

consumida e a produzida;

- N de nearly zero: Uma tentativa de aproximação…

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2- Introdução ao Projecto

- Projecto: A relação entre os requisitos funcionais (RF) e os

parâmetros de projecto (PP);

- Feito num processo de decomposição.

Decisão de Projecto _Projecto

Vector {Y} “o que se pretende obter?” Vector {X} “como se pretende obter?_” Domínio RF Domínio PP Requisitos Projecto Funcionais Parâmetros Realidade idealizada Realidade física Domínio Funcional Domínio Físico

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- O que se pretende alcançar?

Um edifício de serviços NZEB

2- O que se pretende alcançar?

-Edifício residencial – carga externa é a mais significativa;

5 Miguel Cavique

Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014

-Edifício de serviços – carga interna é a mais significativa.

Avaliar quais os principais parâmetros que contribuem para o consumo de energia: inércia, isolamento,

envidraçados, sistema de iluminação, sistema AVAC, etc.

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3- O edifício modelado

Edifício localizado em Lisboa;

2.248 m2 _{distribuído por 3 pisos;}

Teve certificação energética em 2012; Levantados os vários equipamentos e perfis de consumo;

Medidos os consumos de globais e os Medidos os consumos de globais e os de AVAC;

Certificado na classe D; Cargas sem ar novo:

Arrefecimento: 136 kW; 65 W/m2

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3- O edifício modelado

Características de ocupação:

15 m2 _{por pessoa – 147 pessoas;}

30 m3_{/h de ar novo por pessoa}

13 W/m2 _{para iluminação para}

500 lux;

19 W/m2 _{de equipamento de}

7 Miguel Cavique

Valores em kWh/ano Iluminação Equip. escritório Equip. hospitar Total Equip. AVAC Outros (elev. ilum. exterior) Total Base facturas 571.000 Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183 19 W/m2 _{de equipamento de}

escritórios, com um total de 48

W/m2 _{de equipamento de}

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4- Parâmetros usados na decomposição

- Arquitectura e uso do edifício: - Inércia;

- Envolvente;

- Cargas internas;

- Sistemas energéticos

(AVAC);

- Produção local de energia. - Iremos abordar:

- Redução das cargas internas; - Melhorias no AVAC;

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RF 0.3: Reduzir o consumo de energia no edifício PP 0.3: Edifício com sistemas adequados RF 1.3: Reduzir a carga interna PP 1.3: Baixas RF 1.2: Ajustar características da envolvente do edifício PP 1.2: Envolvente RF 1.1: Adequar a inércia do edifício PP 1.1: Inércia do RF 1.4: Reduzir o consumo de energia dos sistemas PP 1.4: Eficiência dos RF 1.5: Produzir energia localmente de modo eficiente PP 1.5: Sistemas locais de 9 Miguel Cavique

Baixas cargas internas Envolvente do edifício Inércia do edifício dos sistemas energéticos locais de produção de energia RF 2.6: Reduzir o consumo do sistema de iluminação PP 2.6: Eficiência do sistema de iluminação RF 2.5: Reduzir a carga dos equipamentos PP 2.5: Eficiência dos equipamen tos interiores RF 2.4: Reduzir a ocupação PP 2.4: Número de pessoas RF 2.3: Adequar os ganhos solares PP 2.3: Fracção solar dos envidraçad os RF 2.2: Adequar as trocas pela envolvente opaca PP 2.2: Coeficiente transmissã o de calor RF 2.1: Definir a massa do edifício PP 2.1: Massa por unidade de superfície RF 2.7: Reduzir a carga de ar novo PP 2.7: Caudal de ar novo RF 2.8: Reduzir consumo do sistema de potência PP 2.8: Eficiência do sistema de potência RF 2.9: Reduzir consumo no sistema de AQS PP 2.9: Eficiência do sistema de AQS RF 2.10: Reduzir consumo do sistema AVAC PP 2.10: Eficiência do sistema de AVAC RF 2.11: Aproveitar recursos renováveis PP 2.11: Sistemas renováveis RF 2.12: Geração combinada de energia PP 2.12: Cogeração RF 2.13: Gerar energia por outros sistemas PP 2.13: Outros sistemas

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4- Parâmetros de AVAC Onde podemos poupar energia?

- Redes; - Chillers; - UTAs; -VCs ... -VCs ... Onde mais? Avaliar o processo de decomposição.

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4- Parâmetros de AVAC

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5- Análise paramétrica do consumo em AVAC O sistema modelado: Bomba calor Ch+rec Salar + + -Ventiloconvectores UTAN – recuperador estático

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5- Análise paramétrica do consumo em AVAC

- Ventilação controlada (DCV); - Caudal de água variável

(VWF);

- Eficiência do motor (EFF); - Recuperador calor na UTA

-Tipo de controlo do caudal de

água (WFCT);

- Temperatura de evaporação

(EVT);

- Eficiência do chiller (EER);

Parâmetros avaliados em dois níveis (0, 1)

- Recuperador calor na UTA

(AHEX);

- Perda de carga reduzida na

rede de ar (DPRA);

- Perda de carga reduzida na

rede de água (DPRW);

- Tipo de controlo do caudal

de ar (AFCT);

13 Miguel Cavique

- Eficiência do chiller (EER);

- Recuperação parcial no chiller

(CHR);

- Diferença de temperatura no

circuito de água(WDT);

- Velocidade variável no

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-DCV, ou ventilação controlada(DCV):

0- caudal constante; 1- caudal variável

12 Ventilador e rede 12 Controlo de caudal- E α Q3 (?) 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 P re ss u re Flow 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 P re ss u re Flow

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-Controlo do caudal de ar (AFCT):

-0:Por pressão (manter a pressão num ponto da rede); -1:Por estimativa da pressão necessária

Controlo por pressão- E α Q Pressão estimada- E α Q2

15 Miguel Cavique

0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 P re ss u re Flow 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 P re ss u re Flow

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-Caudal de água variável (VWF) no circuito secundário:

0:Constante; 1: Caudal variável

- Aplicam-se as mesma considerações sobre o consumo

de energia relativas ao tipo de controlo do caudal

de energia relativas ao tipo de controlo do caudal (WFCT):

0:Pressão constante; 1:pressão estimada;

Há vantagens acessórias na utilização de válvulas de duas vias

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- Eficiência de motores e de bombas (EFF):

0: EFF2; 1:EFF1 (mais eficiente)

Eficiência do motor

17 Miguel Cavique

0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 0 5 10 15 E ff ic ie n cy Shaft power

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- Permutador de calor na UTAN (AHEX): 0- sem

recuperador; 1 com recuperador de placas;

- A eficiência varia com a temperatura devido à

recuperação de carga latente do ar de exaustão.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 -5 0 5 10 15 20 E ff ic ie n cy

Dry bulb outdoor air temperature

Recuperador de calor de placas

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-Pressão reduzida no circuito de ar

(DPRA):

Aumentando a secção da UTAN

- 0- secção comum; 1- secção ampliada

Caudal de ar no circuito de insuflação:

19 Miguel Cavique

Caudal de ar no circuito de insuflação: 4.500 m3_{/h com perda de carga de 760 Pa;}

reduzida para 610 Pa;

Caudal de ar no circuito de extracção:

3.600 m3_{/h com perda de carga de 360 Pa;}

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-Perda de carga reduzida no circuito secundário (DPRW):

0: sem redução; 1: com menor perda de carga

- Circuito da UTAN: 48 kPa em arrefecimento; 58 kPa

em aquecimento; reduzido para 28 e 38 kPa;

- Circuito dos VCs: 58 kPa em arrefecimento; 56 kPa

em aquecimento; reduzido para 40 e 38 kPa;

- Sistema de aquecimento parado de 1 de Junho a 30

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- Temperatura de evaporação (EVT):

0: evaporador a 2 ºC para temperatura de saída da água de 7 ºC; 1: evaporador a 5 ºC para saída a 10 ºC.

- Eficiência do Chiller (EER):

21 Miguel Cavique

- Eficiência do Chiller (EER):

0: metade da eficiência do ciclo de Carnot

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Recup.

-Recuperação (CHR): 0: sem recuperação; 1: com

recuperação parcial.

- Cerca de 20% da carga de arrefecimento;

- Não aumenta a temperatura de condensação a cargas parciais.

Recup. sensível

parciais.

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-Ventiloconvectores de velocidade variável (FCVS): 0: com

velocidade constante; 1: com VCs ECDC

P er ce n ta g e o f el ec tr ic al e n er g y

Relação entre a energia de um VC ECDC/ VC comum

23 Miguel Cavique

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 P er ce n ta g e o f el ec tr ic al e n er g y

Percentage of cooling load of the fan-coil

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Combinatory Generator Energy Evaluation Matlab Workspace *.xls Design Builder Reading data *.xls AHU fans O diagrama do programa:

1- DB – cargas internas (inferiores às do modelo real) ;

2- O programa gera as 3x212 _(12.288)

resultados;

6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC

*.txt *.xls RSM Output of results AHU coil AHU fans AHU pumps Fan-coil pumps Chiller

Ducts and tubes

Fan-coils fans resultados;

3- O RSM (response surface method) avalia os parâmetros.

Avaliar as implicações cruzadas dos parâmetros

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6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC - A implicação paramétrica: - DCV e VCs com inverter são os parâmetros mais importantes. Energia Total Base 1,07E+08

DCV Demand Control Ventilation 9,17E+07 -15% VWF Variable Water Flow 1,07E+08 -1% AHEX Air Handling Heat Exchanger 1,08E+08 0% EFF Motor Efficiency 1,04E+08 -3%

25 Miguel Cavique

importantes. EFF Motor Efficiency 1,04E+08 -3%

DPRA DP Reduced in the Air Circuit 1,03E+08 -5% DPRW DP Reduced in the Water Circuit 1,06E+08 -2% AFCT Air Flow Control Type 1,07E+08 0% WFCT Water Flow Control Type 1,06E+08 0% EVT Evaporator Temperature 1,15E+08 7% EER Chiller EER 1,03E+08 -4% CHR Chiller Total Recovery 1,23E+08 15%

WDT Water DT 1,16E+08 8%

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- Utiliza 12.288 combinações de parâmetros

e respectivo consumo de energia total;

- Cria superfícies de ajustamento de

mínimos quadrados, com uma equação linear com interacção;

- Os coeficientes b do ajustamento,

permitem avaliar a importância relativa de cada parâmetro;

- São apresentados os inteiros dos valores

divididos por 105 _{de modo a apresentar-se}

apenas os mais significativos.

p p p li 0 i i i,j i j i 1 i 1 j i Y (X) bn bn .X bn .X .X = = > = φ = +

∑

+

∑∑

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DCV VWF AHEX EFF DPRA DPRW AFCT WFCT EVT EER CHR WDT FCVS

DCV -80 3 1 4 -15 2 1 Demand Control Ventilation

VWF -2 1 Variable Water Flow

AHEX 3 -3 -2 Air Handling Heat Exchanger

EFF -10 1 Motor Efficiency

DPRA -24 2 DP Reduced in the Air Circuit

- Os coeficientes b do ajustamento de mínimos quadrados:

DPRA -24 2 DP Reduced in the Air Circuit

DPRW -5 1 DP Reduced in the Water Circuit

AFCT -15 Air Flow Control Type

WFCT -5 2 Water Flow Control Type

EVT 22 3 -25 Evaporator Temperature

EER -17 Chiller EER

CHR -3 Chiller Partial Recovery

WDT 23 -36 Water DT

FCVS -132 Fan-Coil Variable Speed

27 Miguel Cavique

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7- Uma possibilidade de NZEB

Aplicação NZEB: Foco na energia despendida.

- Aplicado ao edifício referido mas com: - Melhores tecnologias no sistema AVAC;

- Melhores tecnologias de iluminação (max 2W/100 lux e controlo

de fluxo); de fluxo);

- Equipamentos mais eficientes (LCD, computadores).

O que é possível obter? Valores em kWh/ano Iluminação

Equip. escritório Equip. hospitar Total Equip. AVAC Outros (elev. Ilum. exterior) Total Base facturas 571.000 Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183 Boa ilum equip esc (Pior AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 120.547 3.690 423.478 Boa ilum equip esc (Melhor AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 47.917 3.690 350.848

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- Utilização de painéis fotovoltaicos

- Rendimento painéis de silício amorfo: 10%

- Rendimento de mono-cristalinos de silício: 16%

- Rendimento de mono-cristalinos de arsenito de gálio: 33%

7- Uma possibilidade de NZEB

- Rendimento de painéis poli-cristalinos com concentradores: 47%

29 Miguel Cavique

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- Utilização de painéis fotovoltaicos

- Com uma área disponível de cerca

de 630 m2

- Usando painéis de gálio no terraço

do 2º piso e em fatias do terraço do 1º 7- Uma possibilidade de NZEB

do 2º piso e em fatias do terraço do 1º piso, obtém-se para o sistema com iluminação e equipamento de

escritório melhor, associado ao melhor sistema de AVAC:

Valores em kWh/ano Iluminação

Equip escritório

Equip

hospitar Total Equip AVAC

Outros (elev ilum

exterior) Total Fotovoltaico Facturas Boa ilum equip esc (Melhor

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8- Conclusões sobre NZEB

- É possível obter um edifício NZEB, existente: - Num edifício com três pisos;

- Reformulando o sistema de iluminação;

- Reformulando as cargas internas de material de escritório; - Usando um sistema de climatização muito eficiente;

- Com produção própria de painéis FV de arsenito de gálio.

31 Miguel Cavique

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8- Conclusões em AVAC

- Em AVAC usar:

- Chiller de elevada eficiência; - DCV;

- Reduzir perdas de carga nas UTANs; - Sistema de controlo de caudal eficiente; - VCs com variação de caudal.

- Em AVAC ponderar bem a utilização:

- Aumento da temperatura de evaporação; - Aumento das diferenças de temperatura.

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Obrigado pela

vossa atenção

33 Miguel Cavique