Nuno Alexandre Cerejo Fernandes
Análise Energética do Corpo Central do Edifício do
DEMI-UNL através do software EnergyPlus
Modelo de simulação dinâmica multizona à luz do
RSECE-Energia
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientador: Prof. Doutor João José Lopes de Carvalho
Júri:
Presidente:
Prof. Doutor José Manuel Paixão Conde
Vogais:
Prof. Doutor Daniel Aelenei
Prof. Doutor João José Lopes de Carvalho
Indicação de direitos de cópia / Copyright
Dedicatória e Agradecimentos
Gostaria de agradecer ao Prof. Doutor João José Lopes de Carvalho por toda a ajuda e acompanhamento que prestou ao longo da elaboração desta dissertação, sem os quais esta não teria sido possível.
Um muito obrigado ao Prof. Doutor Daniel C. Vaz por ter apostado em mim durante o meu percurso na FCT-UNL.
A special thank you to Professor Dr. Li, Yuan-Lu, retired Chair of Electrical Engineering at University of Malaya, Malaysia, for all the time and help given in EnergyPlus.
Dedico esta dissertação a toda a minha família, por todo o apoio incondicional que me deu ao longo de toda a vida, sem o qual nunca teria conseguido frequentar e concluir um curso superior.
Resumo
Nesta dissertação expõe-se o estudo da eficiência energética de um dos quatro corpos que constituem o edifício do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, inserido no Campus da Caparica da Universidade Nova de Lisboa.
A análise foi feita recorrendo a uma simulação dinâmica multizona, através do software EnergyPlus. É feita uma descrição e uma análise crítica dos dados inseridos na simulação, em particular os referentes à arquitectura e aos elementos construtivos do edifício; às unidades de climatização e ventilação; e aos perfis de ocupação, iluminação e de utilização dos equipamentos.
Todo este processo teve como base os regulamentos do SCE, para lhe conferirem uma maior fiabilidade e exactidão. O estudo terá maior incidência na aplicação do RSECE-Energia, já que se trata de um grande edifício de serviços existente, com uma potência de climatização superior a 25 kW. O RSECE-QAI é utilizado na análise dos caudais de ar novo. O RCCTE é aplicado nos pontos interligados com o RSECE e também aplicado na íntegra, mas neste caso apenas como exercício académico.
Após o estudo dos consumos de energia primária simulados e do funcionamento simulado dos sistemas de climatização, são propostas algumas soluções para o aumento da eficiência energética do corpo do edifício.
Abstract
The objective of this dissertation is to analyze the thermal performance of one of the four blocks of the department building of mechanical and industrial engineering, which is located in the Campus of the Universidade Nova de Lisboa, in Caparica, Portugal.
The analysis was performed using a multizone dynamic simulation through the software EnergyPlus. A description and critical analysis of the data entered in the simulation was made, in particular those related to architecture and construction elements of the building, the air conditioning and ventilation units, and the occupancy profiles, lighting and equipment utilization.
All this process was made with the Portuguese regulations for building’s energy efficiency – SCE, RSECE and RCCTE – in mind. The RSECE-Energia regulation applies to buildings which are climatized with systems with power in excess of 25 kW. The RSECE-QAI is used to analyze the outdoor air necessities. The RCCTE gives instructions to calculate the heat transfer between the outside and the interior of the building.
Solutions to increase the module’s energetic efficiency are suggested, after the analysis of the
results of the building’s energy consumption.
1.1. Objectivos do trabalho ... 1
1.2. Enquadramento da análise energética do corpo central do DEMI-UNL ... 2
1.3. Aplicabilidade da regulamentação ao corpo central do DEMI-UNL ... 3
1.4. Localização do edifício ... 6
1.5. Descrição breve do edifício ... 8
1.6. Descrição breve dos sistemas de climatização e componentes associados ... 16
1.7. Descrição breve e estado actual da ventilação mecânica ... 18
1.8. Estado actual das instalações de climatização ... 19
1.9. Breve descrição do software EnergyPlus ... 23
2. Parâmetros para a simulação do corpo central do DEMI-UNL ... 29
2.1. Parâmetros iniciais necessários para o EnergyPlus ... 29
2.2. Localização do edifício e ficheiro climático utilizado ... 32
2.3. Períodos de simulação ... 32
2.4. Temperaturas no solo em contacto com o edifício ... 33
2.5. Schedules ... 34
2.6. Materiais de construção ... 38
2.7. Materiais dos vãos envidraçados ... 39
2.8. Elementos construtivos do edifício... 41
2.9. Definição da construção do corpo central do edifício e das suas zonas ... 42
3. Simulação dos sistemas de climatização ... 53
3.1. Introdução à simulação realizada e dados relevantes dos sistemas ... 53
3.2. Definição dos perfis das zonas climatizadas ... 55
3.3. Definição das zonas climatizadas ... 59
3.4. Parâmetros correspondentes aos ganhos internos ... 60
3.5. Trocas de ar entre zonas ... 63
3.6. Definição dos sistemas de climatização e do seu circuito de água quente ... 64
3.7. Definição dos componentes das UTV ... 65
3.8. Definição dos componentes do circuito de água quente e das caldeiras ... 67
3.9. Definição de arrefecimento teórico para o corpo do edifício ... 69
3.10. Produção de águas quentes sanitárias (AQS) ... 70
3.11. Análise dos resultados da simulação ... 70
3.12. Cálculo e análise dos IEE e da classificação energética do corpo central ... 77
4. Breve estudo de soluções para o aumento da eficiência e conforto do edifício ... 81
6. Bibliografia ... 89
7. Anexos ... 91
Anexo A – Telas finais da arquitectura do corpo central do DEMI ... 91
Anexo B – Elementos construtivos das envolventes do edifício ... 95
Anexo C – Aplicação do RCCTE ao corpo central do DEMI-UNL ... 105
Introdução ... 105
Localização e zoneamento climático do edifício do DEMI ... 106
Levantamento dos Espaços Não Úteis ... 106
Levantamento da Envolvente Exterior e Interior ... 109
Paredes e pavimentos em contacto com o solo ... 111
Pontes térmicas lineares (PTL) ... 113
Vãos envidraçados ... 118
Ventilação ... 121
Inércia térmica ... 122
Ganhos internos ... 123
Resultados e análise das necessidades nominais de energia útil ... 123
Utilização do software STE ... 126
Resultados: Folhas de Cálculo do RCCTE ... 127
Anexo D – Crítica aos programas utilizados ... 151
Retirado do ponto F.2 do documento [5]. ... 4
Figura 1.2 – Pormenor do Quadro III.1 do RCCTE ... 6
Figura 1.3 – A menor distância do edifício ao litoral, segundo o site GoogleMaps... 7
Figura 1.4 – Localização do edifício no terreno envolvente, segundo o site GoogleMaps. A imagem encontra-se alinhada segundo o eixo Norte-Sul, com a direcção Norte para cima. ... 7
Figura 1.5 – Pormenor da figura anterior, com a localização do edifício do DEMI realçada. ... 8
Figura 1.6 – Desenho simplificado da composição do edifício do DEMI ... 9
Figura 1.7 – Pormenor do corpo central do edifício do DEMI, em fotografia de satélite. Imagem retirada de GoogleMaps ... 9
Figura 1.8 – Pormenor das fachadas Oeste e Sul ... 10
Figura 1.9 – Pormenor da fachada Este ... 10
Figura 1.10 – Pormenor da fachada Este ... 10
Figura 1.11 – Identificação de alguns elementos da envolvente exterior. ... 11
Figura 1.12 – Localização dos passadiços no edifício ... 12
Figura 1.13 –Passadiço “A” ... 12
Figura 1.14 –Passadiço “B” ... 12
Figura 1.15 – Passadiço “C” ... 12
Figura 1.16 – Localização das zonas consideradas no Piso 1 do corpo do edifício analisado. ... 14
Figura 1.17 – Localização das zonas consideradas no Piso 2 do corpo do edifício analisado. ... 15
Figura 1.18 – Localização das zonas consideradas no Piso 3 do corpo do edifício analisado. ... 15
Figura 1.19 – Localização das zonas consideradas no Piso 4 do corpo do edifício analisado. ... 15
Figura 1.20 – Filtros usados retirados das UTV. ... 21
Figura 1.21 – Filtros danificados retirados das UTV. ... 21
Figura 1.22 – Cotovelo de tubagem danificado, com isolamento térmico exposto ao exterior. ... 21
Figura 1.23 – Chaminé do ventilador VE6, com a UTV4 e a central térmica atrás. ... 21
Figura 1.24 – Ferrugem nas portas de acesso a uma UTV. ... 22
Figura 1.25 – Componentes das UTV danificados. ... 22
Figura 1.26 – Vespas encontradas nas UTV. ... 22
Figura 1.27 – Componente cuja protecção está danificada. As ligações eléctricas ficaram então expostas ao exterior. ... 22
Figura 1.28 – Esquema simplificado do funcionamento modular do EnergyPlus. ... 24
Figura 1.29 – Loops considerados no EnergyPlus. ... 25
Figura 1.30 – Aspecto da interface EP-Launch. ... 26
Figura 1.31 – Programa IDF Editor ... 27
Figura 2.2 - Formas de edifícios que o EnergyPlus considera como de geometria convexa (lado
esquerdo) e não convexa (lado direito). ... 31
Figura 2.3 – Parâmetros disponíveis da classe Location and Climate ... 33
Figura 2.4 – Valores introduzidos no parâmetro Schedule:TypeLimits. ... 34
Figura 2.5 – Exemplos de horários em Schedule:Compact. ... 37
Figura 2.6 – Fluxograma com os passos necessários para a criação de um horário em Schedule:Compact. ... 37
Figura 2.7 – Vários campos preenchidos no parâmetro Material. ... 38
Figura 2.8 – Visualização de vários ângulos para lâminas de estores. À esquerda encontra-se sempre o ambiente exterior e à direita o vidro... 40
Figura 2.9 – Alguns elementos construtivos definidos no parâmetro Construction. ... 41
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. ... 43
Figura 2.11 – Ordem de definição de pontos escolhida. ... 44
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). ... 44
Figura 2.13 – Parâmetros disponíveis na classe Thermal Zones and Surfaces. ... 45
Figura 2.14 – Imagens retiradas do documento Getting Started [14]. 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. ... 47
Figura 2.15 – Imagem retirada do documento Getting Started [14]. Uma outra definição das zonas do edifício, intermédia entre as duas definições da figura anterior. ... 47
Figura 3.1 – Alguns dos valores introduzidos no parâmetro Sizing:Zone. ... 60
Figura 3.2 – Reprodução da Tabela 13 e respectiva figura explicativa da referência [15]. ... 61
Figura 3.3 – Excerto da Tabela 10 da referência [15]. ... 62
Figura 3.4 - Exemplificação da situação real e da situação simulada para a ventilação dos corredores. ... 63
Figura 3.5 – Valores inseridos no parâmetro Sizing:System. ... 64
Figura 3.6 – Valores inseridos no parâmetro Coil:Heating:Water. ... 66
Figura 3.7 – Valores introduzidos no parâmetro HeatExchanger:AirToAir:FlatPlate. ... 67
Figura 3.8 – Valores inseridos no parâmetro Boiler:HotWater. ... 68
Figura 3.9 – Evolução das temperaturas do corredor do Piso 2 (P2 ENU) e dos seus espaços adjacentes, ao longo das 24 horas de um dia de Inverno. ... 73
Figura 3.10 – Necessidades de aquecimento máximas, em W, para as zonas climatizadas do corpo central do edifício. ... 73
Figura 3.11 – Evolução das temperaturas das zonas climatizadas pela UTV4, ao longo das 24 horas do dia 31 de Janeiro. ... 74
Figura 3.12 – Exigência máxima de energia (em J) para as várias baterias de aquecimento das UTV, ao longo das 24 horas do dia 31 de Janeiro. ... 74
possuí ganhos internos de calor consideráveis. ... 82
Figura 4.2 – Uma das várias áreas da cobertura do edifício com potencial para a instalação de painéis solares e para aproveitamento de energia eólica. ... 84
Figura 7.1 – Elementos mais comuns da envolvente exterior ... 95
Figura 7.2 – Pormenor da fachada do edifício... 95
Figura 7.3 –“Pavimentos Exteriores Ve37” ... 96
Figura 7.4 – Tipos de Pontes Térmicas Planas presentes no corpo central do edifício. ... 96
Figura 7.5 – Pormenor do Quadro III.1 do RCCTE ... 106
Figura 7.6 – Pormenor do Quadro III.9 do RCCTE ... 106
Figura 7.7 – Legenda para as figuras seguintes ... 109
Figura 7.8 – Envolvente do Piso 1 ... 109
Figura 7.9 – Envolvente do Piso 2 ... 110
Figura 7.10 – Envolvente do Piso 3 ... 110
Figura 7.11 – Envolvente do Piso 4 ... 110
Figura 7.12 - «Tabela IV.2.2 – Valores de ψ de pavimentos em contacto com o terreno, com isolante térmico (W/m˚C)» ... 112
Figura 7.13 – Localização dos vários tipos de pavimento em contacto com o solo ... 112
Figura 7.14 – Ponte Térmica Linear de Tipo A, com isolante na caixa-de-ar. ... 114
Figura 7.15 – Exemplificação da PTL de locais aquecidos sobre não aquecidos. ... 115
Figura 7.16 – Ponte Térmica Linear de Tipo C, com isolante na caixa-de-ar. ... 116
Figura 7.17 – Ponte Térmica Linear de Tipo D, com isolante na caixa-de-ar. ... 116
Figura 7.18 – Ponte Térmica Linear de Tipo F, com isolante na caixa-de-ar. ... 117
Figura 7.19 – Extracto do Quadro III.2 A do ITE 50 [10]. ... 119
Figura 7.20 – Exemplo de transferência de calor previamente armazenado num elemento construtivo. ... 122
Figura 7.21 – Representação gráfica das percentagens de cada uma das necessidades nominais de energia útil. ... 125
Tabela 3.1 – Breve descrição das zonas consideradas na simulação. ... 54 Tabela 3.2 – Valores das UTV relevantes para a simulação. ... 54 Tabela 3.3 – Diferenças entre os perfis utilizados na simulação e os nominais do RSECE. ... 58
Tabela 3.4 – Resultados da simulação para os vários consumos energéticos do corpo estudado... 71
Tabela 3.5 – Valores das áreas, utilizações e IEE de referência para as várias zonas do corpo estudado... 78
Tabela 7.1 - Tabela resumo com a descrição das ENU consideradas para o corpo central do edifício. ... 108
Tabela 7.2 – Tipos de paredes e pavimentos em contacto com o solo e respectivas cotas Z. ... 112 Tabela 7.3 – Valores das perdas de calor pelas paredes e pavimentos em contacto com o solo .. 113 Tabela 7.4 – Tabela com os valores das perdas associadas às PTL. ... 118
Ψ – coeficiente de transmissão térmica linear [W/(m.ºC)] Aext – área da superfície envolvente exterior [m2]
Ai – área de elemento que separa um espaço útil de um espaço não útil [m2] Aint – área da superfície envolvente interior [m2]
Ap – área útil de pavimento [m2]
Au – área de elemento que separa um espaço não útil do exterior [m2] ep – espessura entre panos de uma parede dupla [m]
Eren – contribuição de energias renováveis (excepto solar térmica) para a preparação de AQS
[kWh/ano]
Esolar – contribuição de sistemas de colectores solares para a preparação de AQS [kWh/ano] Fp – factor de conversão de energia útil para energia primária [kgep/kWh]
GD – número de graus-dia [ºC.dias]
IEE – Indicador de Eficiência Energética [kgep/(m2.ano)] kgep – quilograma equivalente de petróleo
Nac – necessidades nominais de energia para preparação de AQS [kWh/(m2.ano)]
NI1 – valor máximo das necessidades de aquecimento para a zona de referência I1 [kWh/(m2.ano)]
Nic – necessidades nominais de aquecimento [kWh/(m2.ano)]
NIi ou Ni – valor máximo das necessidades de aquecimento para a zona do edifício [kWh/(m2.ano)] Nt – valor máximo das necessidades nominais globais de energia primária [kgep/(m2.ano)]
Ntc –necessidades nominais globais de energia primária [kgep/(m2.ano)]
NV1 – valor máximo das necessidades de arrefecimento para a zona V1Norte [kWh/(m2.ano)] NVc – necessidades nominais de arrefecimento [kWh/(m2.ano)]
NVi ou Nv – valor máximo das necessidades de arrefecimento para a zona do edifício [kWh/(m2.ano)] Qa – consumo de energia útil para o aquecimento de AQS [kWh/ano]
Qaq – consumo de energia primária dos sistemas de aquecimento [kgep/ano] Qarr – consumo de energia primária dos sistemas de arrefecimento [kgep/ano]
Qoutros – consumo de energia primária dos sistemas de iluminação, equipamento, etc. [kgep/ano] Rse – resistência térmica superficial exterior [(m2.ºC)/W]
Rsi – resistência térmica superficial interior [(m2.ºC)/W]
U – coeficiente de transmissão térmica de um elemento da envolvente [W/(m2.ºC)] Uw – coeficiente de transmissão térmica para vãos envidraçados [W/(m2.ºC)]
Uwdn – coeficiente de transmissão térmica para vãos envidraçados com dispositivos de oclusão
nocturna [W/(m2.ºC)] V – volume útil interior [m3]
ADENE – Agência para a Energia AQS – Águas Quentes Sanitárias
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers COP – Coefficient Of Performance: eficiência nominal de uma bomba de calor
DEMI – Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial
EER – Energy Efficiency Ratio: eficiência energética nominal de um equipamento de climatização FCT – Faculdade de Ciências e Tecnologia
FF – Factor de Forma
GPL – Gás de Petróleo Liquefeito
IDF – Input Data File (ficheiro de entrada do EnergyPlus) PQ – Perito Qualificado
PRE – Plano de Racionalização dos consumos Energéticos
PTL – Pontes Térmicas Lineares PTP – Pontes Térmicas Planas QAI – Qualidade de Ar Interior
RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios
RSECE – Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios
SCE – Sistema nacional de Certificação Energética e da qualidade do ar interior nos edifícios UNL – Universidade Nova de Lisboa
URE – Utilização Racional de Energia
1. Introdução à análise energética realizada
1.1. Objectivos do trabalho
Perante a actual conjuntura económica e social, o futuro próximo adivinha-se pobre em termos de novos edifícios. Em contrapartida, o parque já edificado – quer o habitacional, quer o de serviços – tem muito que caminhar, como se constata no presente estudo, no que toca a colmatar erros cometidos em projecto, execução e manutenção, de forma a melhorar a performance térmica e a redução dos consumos energéticos do sector.
O presente trabalho insere-se nesta temática, tendo como objectivo a análise da eficiência energética do corpo central do edifício do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial (DEMI), que se situa no campus da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) da Universidade Nova de Lisboa (UNL). Esta análise foi realizada com recurso a uma simulação dinâmica multizona, no software EnergyPlus (Departamento de Energia dos Estados Unidos da América), com o objectivo de calcular os consumos energéticos e propor soluções para a redução destes, sem sacrifício do conforto interior.
Os principais passos do trabalho foram, resumidamente, os seguintes:
· Visita ao edifício;
· Recolha de todas as informações disponíveis (telas finais, esquemas de AVAC, memórias descritivas, entre outras);
· Análise da arquitectura e dos elementos construtivos;
· Análise e inspecção dos sistemas de climatização e de ventilação;
· Estudo dos perfis de ocupação, utilização de equipamentos e de iluminação;
· Construção do ficheiro de simulação em EnergyPlus;
· Análise e crítica aos resultados da simulação;
· Estudo breve sobre propostas de melhoria da eficiência energética.
1.2. Enquadramento da análise energética do corpo central do DEMI-UNL
Hoje em dia já praticamente não se coloca em questão a necessidade de reduzir os consumos energéticos e, subsequentemente, o consumo de energia primária – em particular do petróleo. Essa necessidade tem-se tornado cada vez mais urgente nos países industrializados, em particular nos países europeus. A Europa depende actualmente de tal forma do abastecimento de energias primárias oriundas de países estrangeiros, que se está a tornar refém destes a nível energético. Em 2009 53,9% da energia primária consumida na Europa foi importada1.
A Segurança de Abastecimento fica pois colocada em perigo, sendo um bom exemplo disso a situação que ocorreu em Janeiro de 2006, quando o fornecimento de gás à Ucrânia por parte da Rússia foi cortado, o que causou fortes perturbações ao gás fornecido à Europa. A Alemanha e Reino Unido enfrentaram o risco de não poderem aquecer as suas habitações no Inverno2. Acrescente-se que, ao longo da História recente, as relações entre a Europa e os países exploradores de crude (e.g. Rússia, países árabes e sul-americanos) foram sempre muito tensas ou até mesmo de guerra, o que a coloca numa situação muito sensível e desconfortável a nível político e económico.
Não é de admirar então que nos últimos anos tenham surgido medidas na União Europeia com o objectivo de reduzir e controlar os consumos energéticos. Uma delas passou pela regulamentação dos consumos energéticos dos edifícios, quer habitacionais quer de serviços, já que estes são responsáveis por, sensivelmente, 40% do consumo de energia e de 36% das emissões de dióxido de carbono da comunidade europeia3.
Portugal adaptou os regulamentos que possuía de encontro ao estipulado a nível europeu pela Directiva 2002/91/CE, de 16 de Dezembro de 2002. É então criado, em 4 de Abril de 2006, o SCE [1] –
Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios. Este assegura a aplicação de dois regulamentos: RSECE e RCCTE. O RSECE [2] – Regulamento dos Sistemas
Energéticos e de Climatização dos Edifícios –,é separado nas vertentes Energia e Qualidade do Ar
Interior (QAI). A primeira incide nos sistemas de climatização, no seu estado de manutenção e nos consumos, enquanto a segunda incide na fiscalização das concentrações de partículas e agentes patológicos e nocivos no ar interior, assim como do funcionamento e manutenção dos mecanismos de remoção e eliminação destes.
O RCCTE [3] – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios –, regulamenta a qualidade térmica da construção de edifícios.
1 Fonte:
European Commission Eurostat (http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php/ Energy_production_and_imports).
2 Fontes:
Reuters (http://www.reuters.com/article/2009/01/07/uk-russia-ukraine-gas-factbox-idUKTRE5062Q520090107?sp=true)
BBC News (http://news.bbc.co.uk/2/hi/europe/8083511.stm ; http://news.bbc.co.uk/2/hi/europe/8179461.stm) 3 Fonte:
formação de peritos qualificados que a vão realizar é assegurada pela ADENE (Agência para a Energia).
1.3. Aplicabilidade da regulamentação ao corpo central do DEMI-UNL
Refere-se novamente que toda a análise feita neste trabalho segue as recomendações feitas pelos regulamentos RSECE e RCCTE. A aplicabilidade destes não é idêntica, sendo utilizados consoante o edifício a ser analisado. Merece então ser analisada a aplicabilidade da regulamentação ao edifício em estudo neste trabalho.
Antes de mais é necessário frisar que os regulamentos distinguem os edifícios novos e os existentes, assim como os grandes edifícios de serviços, os pequenos e os de habitação. Estes consideram que um edifício será existente caso a data de entrada do seu projecto de licenciamento seja anterior a 4 de Julho de 2006. Consideram como grandes edifícios aqueles que não se destinem a habitação e que tenham uma área superior a 1000 m2 (ou 500 m2 para centros comerciais, hipermercados, supermercados e piscinas cobertas), ou que tenham uma potência dos sistemas de climatização superior a 25 kW.
O corpo em estudo – o corpo central do edifício do DEMI – foi construído em 1997, possui mais de
2200 m2, possui uma potência de climatização superior a 25 kW e será tratado como uma fracção autónoma do edifício, pelo que então é um edifício grande e existente, e o regulamento aplicável será o RSECE (ao invés do RCCTE, que deve ser aplicado para edifícios pequenos e com potências de climatização inferiores ao limite de 25 kW). Os requisitos exigidos ao edifício serão não só de consumo energético como também de Qualidade de Ar Interior (QAI).
Para a análise à luz do RSECE é necessário encontrar o consumo energético do edifício, através da consulta das facturas energéticas deste, caso seja existente e estas sejam fiáveis, ou através de simulação, e compará-lo com o consumo teórico, considerado como aceitável pelo regulamento, para a utilização específica desse edifício.
Além disso deve-se também comprovar que a manutenção dos sistemas e instalações de climatização está a ser devidamente realizada e que garante a QAI e propor, caso seja possível e/ou necessário, melhorias com viabilidade económica4.
Para realizar esta comparação entre os consumos reais ou simulados e o consumo esperado teórico estipulado nos regulamentos é necessário recorrer aos Indicadores de Eficiência Energética, ou IEE. Estes são calculados com base em padrões de utilização, englobando a totalidade dos consumos de energia final – iluminação, equipamentos, climatização, AQS, elevadores, etc. – e são convertidos para unidades de energia primária – kgep/m2.ano –, utilizando para tal os factores de conversão (Fp), definidos nos regulamentos, para a o mix de energia primária nacional. Estes são, à data de realização desta dissertação5, 0,29 kgep/kWh para a electricidade e 0,086 kgep/kWh para combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Quanto maior for o valor do IEE calculado, maior será o consumo energético e, assim, menor será a eficiência energética do edifício em estudo.
Figura 1.1 – Diagrama explicativo dos passos a seguir numa análise energética segundo o RSECE.
4 A viabilidade económica é um ponto a que é dada muita importância nos regulamentos. Embora estes
tenham o objectivo de tornar todos os edifícios mais “ecológicos” e com menores consumos de energia, não o fazem
- IEE real: retrata o consumo específico real do edifício, que é obtido através da análise de facturas energéticas ou por recurso a simulação do seu consumo com perfis reais de utilização do edifício. Caso seja obtido pelas facturas, o consumo de energia anual tem de ser calculado com base na média dos consumos dos três anos anteriores à análise, para ter em conta as variações do clima que ocorrem.
- IEE nominal: retrata o consumo específico nominal do edifício, sendo obtido através de simulação, utilizando os perfis nominais de utilização do edifício, definidos no Anexo XV do RSECE. Note-se a diferença entre os perfis usados para a simulação do IEE real e para a simulação do IEE nominal.
- IEE de referência: tal como o nome indica, servem de referência para comparação com os valores de IEE reais e nominais. São definidos no RSECE, no Anexo X para edifícios existentes e no Anexo XI para edifícios novos, e retratam qual o consumo considerado aceitável para a função ou actividade especifica desenvolvida no edifício. Existem ainda valores alternativos para algumas tipologias de edifícios no Anexo XII. Estes podem ser usados pelos projectistas sempre que lhes for mais favorável para comparar e/ou para melhorar a classificação energética do edifício.
Para o cálculo do IEE real através de análise com simulação (e também do IEE nominal), utiliza-se a seguinte fórmula6:
(1.1)
Onde Ap é a área útil de pavimento; Qaq, Qarr e QOutros são o consumo de energia primária dos sistemas de aquecimento, arrefecimento e de outros sistemas – como a iluminação e o equipamento –,
respectivamente, em kgep/ano; NI1 e NV1 representam as necessidades máximas de aquecimento e de arrefecimento, respectivamente, em kWh/m2.ano permitidas pelo RCCTE para o edifício em estudo, se este se situasse na zona de referência I1-V1Norte (com 1000 graus-dia de aquecimento e 160 dias de duração da estação de aquecimento); NIi e NVi são similares às variáveis anteriores, com a diferença de agora serem respeitantes para o edifício em estudo para a zona em que ele de facto se encontra.
Estes últimos índices entram na equação para, como consta no Anexo IX do RSECE, ter «em conta as diferenças de necessidades de aquecimento ou de arrefecimento derivadas da severidade do clima, corrigidas pelo grau de exigência na qualidade da envolvente aplicável a cada zona climática, mesmo que o edifício não esteja sujeito às exigências do RCCTE». Ou seja, fazem uma correcção para que os edifícios que se situem em locais com clima mais exigente em termos de aquecimento e arrefecimento, não sejam indevidamente penalizados por necessitarem de consumos mais elevados para a sua
climatização. Relembre-se que quanto maior for o IEE do edifício, menor será a sua eficiência energética.
Os índices Ni e Nv são calculados como consta no Capítulo V, Artigo 15º do RCCTE e serão explicados em maior detalhe mais à frente. Os valores de Ni são calculados através de fórmulas que dependem do factor de forma do edifício, ou seja, o quão este é compacto (e.g.: com muitos pisos de área reduzida) ou esbelto (e.g.: um único piso de área elevada), e dependem da zona climática em que o edifício se encontra (mais especificamente do número de Graus-Dia). Os valores possíveis de Nv encontram-se tabelados e dependem apenas da zona climática.
1.4. Localização do edifício
O edifício em estudo situa-se no Monte da Caparica, no concelho de Almada, à altitude de aproximadamente 98 me a uma distância de cerca de 3,6 km do litoral (cf. Figura 1.3). Em termos da exposição e da envolvente do local, considera-se que o edifício se encontra no limite de uma zona urbana, já que se encontra inserido no que pode ser considerado como o último alinhamento de edifícios da sua zona (cf. Figura 1.4). Além disso este encontra-se exposto em (pelo menos) uma das suas fachadas (cf. Figura 1.5).
Como já se viu, é relevante saber qual é o zoneamento climático considerado nos regulamentos para este local. Do artigo 1.1 do Anexo III do RCCTE sabemos que a zona climática de Inverno de Almada será I1 e a de Verão será V1 Sul. Consultando o Quadro III.1 do RCCTE obtemos os dados climáticos relevantes para o concelho de Almada:
Figura 1.3 – A menor distância do edifício ao litoral, segundo o site GoogleMaps
Figura 1.5 – Pormenor da figura anterior, com a localização do edifício do DEMI realçada.
1.5. Descrição breve do edifício
O edifício em estudo, um estabelecimento de ensino superior, está afecto ao Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial (DEMI), no Campus da Caparica da Universidade Nova de Lisboa (UNL). Trata-se então de um grande edifício de serviços, que possuí várias salas de aula e de estudo, gabinetes, instalações sanitárias, salas de computadores, laboratórios e respectivas áreas técnicas e arrumos e ainda um bar.
Além das telas finais relevantes foram também recolhidas e analisadas as memórias descritivas do projecto de arquitectura do edifício e do sistema de climatização, em particular as correspondentes ao corpo central do edifício. Foram também realizadas várias visitas ao local para confirmar as informações que, como se verá mais à frente, se encontraram algumas vezes imprecisas, desactualizadas ou até incorrectas.
Figura 1.6 – Desenho simplificado da composição do edifício do DEMI
Figura 1.7 – Pormenor do corpo central do edifício do DEMI, em fotografia de satélite. Imagem retirada de GoogleMaps
Na Figura 1.7 observamos que o corpo se encontra alinhado segundo o eixo Este-Oeste, estando a sua fachada principal virada para Este. Preste-se particular atenção à orientação do corpo nas figuras anteriores, com a direcção Norte para a direita, já que vai ser esta a orientação por defeito nas representações futuras deste nesta dissertação, dado que é a adoptada nos desenhos das telas finais do edifício.
Figura 1.8 – Pormenor das fachadas Oeste e Sul
Figura 1.9 – Pormenor da fachada Este
Figura 1.10 – Pormenor da fachada Este
Figura 1.11 – Identificação de alguns elementos da envolvente exterior.
Segundo a definição do RCCTE, “«Coeficiente de transmissão térmica de um elemento da envolvente» é a quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma superfície de área unitária desse elemento da envolvente por unidade de diferença de temperatura entre os ambientes que ele separa”. Explicando de outra forma, note-se que a unidade deste coeficiente U é W/m2.ºC, ou seja, o valor deste coeficiente indica-nos a quantidade de calor, em W, que é “trocada” entre o interior e o exterior do edifício através de um dado elemento construtivo, por cada metro quadrado (m2) deste e por cada diferença de um grau (ºC) entre a temperatura do ar interior e do ar exterior. Um elemento que fosse um isolante ideal teria um valor nulo. Este coeficiente já tem em consideração os fenómenos convectivos que ocorrem no contacto entre o ar interior e exterior com as faces periféricas dos elementos construtivos.
O estudo da composição dos vários elementos construtivos das envolventes exterior e interior encontra-se no Anexo B.
Como seria de esperar, os regulamentos estipulam7 que as análises energéticas são feitas sempre para uma fracção autónoma, e não para uma parte desta apenas8, sendo que cada uma deverá ter contador(es) de energia próprio e exclusivo. Surgem então dificuldades em analisar apenas um corpo separado dos vários que constituem o edifício, já que essa situação não está prevista nos regulamentos. No entanto, aquando da formulação do tema desta dissertação, foi considerado que não seria possível conseguir no tempo útil para uma única dissertação realizar a análise energética para todo o edifício. Esta dissertação trata então do corpo que possui, com diferença considerável, a maior área
7 cf. Capítulo I, Artigo 2º, pp. 2418-2419 do RSECE.
(aproximadamente metade de todo o edifício), o maior número de soluções construtivas e o que tem maior número de tipos de utilização diferentes dos 4 corpos que constituem o edifício.
A separação do corpo central dos restantes corpos do edifício coincide sempre com passadiços envidraçados (cf. figuras seguintes). Esta separação não pode ser levada à letra pois faria com que os halls de cada piso conectassem directamente com o exterior, afastando bastante da realidade as características térmicas do edifício. Não se pode considerar que as portas de acesso aos passadiços estejam quase sempre fechadas porque na realidade acontece exactamente o contrário, além de que o passadiço C (Figura 1.15) não as possui na ligação ao corpo central. Decidiu-se então substituir as zonas de entrada de cada passadiço por um envidraçado idêntico aos presentes neste, ou seja, a entrada do passadiço é como que bloqueada por um envidraçado, que por sua vez irá conectar com o exterior. Pressupõe-se então que os ganhos solares e as trocas de calor por condução pelos envidraçados dos passadiços são semelhantes aos que ocorrem através desse único envidraçado introduzido, que as janelas dos passadiços se encontram sempre fechadas e que no geral estes não provocam impacto significativo na temperatura interior dos corredores.
Figura 1.12 – Localização dos passadiços no edifício
Figura 1.13 – Passadiço “A” Figura 1.14 – Passadiço “B” Figura 1.15 – Passadiço “C”
verá mais à frente, esta simplificação não provoca erros consideráveis na simulação e é até recomendada. Os espaços que têm a designação “ENU” são considerados como sendo Espaços
Não-Úteis e/ou espaços não climatizados. A definição do que é um espaço deste tipo é dada pelo RCCTE9:
“«Espaço não útil» é o conjunto dos locais fechados, fortemente ventilados ou não, que não se
encontram englobados na definição de área útil de pavimento e que não se destinam à ocupação humana em termos permanentes e, portanto, em regra, não são climatizados. Incluem-se aqui armazéns, garagens, sótãos e caves não habitados, circulações comuns a outras fracções autónomas do mesmo edifício, etc. Consideram-se ainda como espaços não úteis as lojas não climatizadas com porta aberta ao público.”
Como os corredores e as instalações sanitárias não são climatizados – as instalações sanitárias
possuem apenas extracção de ar, pelo que (caso as suas janelas estejam fechadas, tal como é esperado em projecto) apenas receberão ar vindo dos corredores/hall de cada piso –, decidiu-se simplificar a simulação destes espaços, unindo as instalações sanitárias aos corredores. Como o seu comportamento, para efeitos de simulação, acaba por ser idêntico ao dos ENU, utilizou-se a mesma denominação para os identificar.
No Anexo A encontram-se representações das telas finais do corpo central. É importante frisar que o edifício não se encontra como foi projectado nestas. Na área onde se encontra a zona P3 Aulas, existiam originalmente duas zonas, separadas por uma parede interior, idênticas às zonas P4 Aulas e P4 Lab. Existem também algumas palas de sombreamento e grelhas nas telas finais que não chegaram a ser construídas. Outras incongruências vão ser referidas e analisadas ao longo desta dissertação.
Actualmente estão a ser construídas e/ou projectadas novas salas e novos gabinetes, com paredes interiores divisórias dentro de algumas zonas do corpo do edifício. Como se desconhece e é difícil de prever como estas salas e gabinetes irão funcionar, decidiu-se omitir estas zonas. Em análises energéticas futuras ao edifício, estas novas zonas terão de ser analisadas com atenção.
Tabela 1.1 – Lista das Zonas, do corpo central do edifício, consideradas nesta dissertação.
Designação dada
à Zona Piso Denominação mais conhecida das salas que constituem a zona Utilização
P1 C Telefonica 1 Central Telefónica Armazena os servidores telefónicos e informáticos do edifício P1 Labs 1 Laboratório de Termodinâmica Aplicada Laboratório
P2 Bar 2 Bar Girassol Pronto-a-comer
P2 Gabs 2 Recepção e Enfermaria Gabinetes (com reduzida utilização) P2 Labs Ala Direita 2 Laboratório (soldadura) de Tecnologia Mecânica Laboratório onde se realizam, entre outros, trabalhos de soldadura
P2 Labs Ala
Esquerda 2
Labotatório de Tecnologia Mecânica (maquinação)
Laboratório onde se realizam, entre outros, trabalhos de torneamento e fresagem
P3 Ala Esquerda 3 Sala de estudo do Piso 3 + Sala 3.8 Salas de aula P3 Aulas 3 Sala 3.9 (Auditório) Sala de aula P3 Gabs 3 Secretaria do Piso 3 + Reprografia + Direcção Gabinetes P3 Sala
Computadores 3
Laboratório de Desenho Assistido por
Computador Sala de aulas assistidas por computador P4 Ala Esquerda 4 Sala de estudo do Piso 4 + Sala 4.8 + Sala 4.6 Salas de aula
P4 Aulas 4 Sala 4.7 Sala de aula
P4 Gabs 4 Secretaria do Piso 4 + Gabinetes de professores Gabinetes P4 Labs 4 Laboratório de Automação Industrial Laboratório P4 Sala
Computadores 4 Laboratório de Engenharia e Gestão Industrial Sala de aulas assistidas por computador P1 ENU 1 Corredores e WC do piso 1 + Armazéns anexos Espaço comum não climatizado
P2 ENU 2 Corredores e WC do piso 2 + Arrecadação de limpezas Espaço comum não climatizado P3 ENU 3 Corredores e WC do piso 3 Espaço comum não climatizado P4 ENU 4 Corredores e WC do piso 4 Espaço comum não climatizado
Figura 1.17 – Localização das zonas consideradas no Piso 2 do corpo do edifício analisado.
Figura 1.18 – Localização das zonas consideradas no Piso 3 do corpo do edifício analisado.
1.6. Descrição breve dos sistemas de climatização e componentes associados
O projecto de climatização para o edifício, segundo a memória descritiva deste10, teve em conta «as exigências técnicas das diversas especialidades envolvidas, características construtivas, condicionantes internas e externas, exigências funcionais e de horário, e a intenção de obter instalações de bom rendimento energético», assim como a facilidade de manutenção das instalações e uma preocupação com os custos de investimento e de exploração.
Ainda segundo a memória descritiva, o rendimento energético esteve também em mente no projecto de arquitectura: «A integração da arquitectura e das técnicas de construção, e de elementos passivos, com destaque para o sombreamento e orientações, proporcionam a melhoria de condições de conforto, sem aumentos de consumos energéticos».
As instalações térmicas foram projectadas de forma centralizada, para que seja menor o custo de equipamentos centralizados de maior potência do que múltiplos equipamentos com menor capacidade. Os sistemas de climatização encontram-se então na cobertura do edifício. A central térmica e todos os seus sistemas adjacentes, incluindo os de armazenamento e envio de água quente, encontram-se agrupados numa central térmica, por cima do corpo das escadas do edifício. Todas as unidades responsáveis pelo aquecimento e ventilação do ar encontram-se distribuídas de forma organizada nas coberturas dos corpos do edifício.
O sistema de climatização que serve o corpo central do edifício é constituído por cinco unidades de termoventilação – UTV11 –, duas unidades de ar condicionado, denominadas por Unidades Condicionadoras Autónomas – UCA –; e respectivas tubagens do circuito de água quente e do ar.
Cada uma das UTV é constituída por um ventilador de recirculação/extracção na sua entrada, uma caixa de mistura com admissão, rejeição e recirculação de ar, uma secção de filtragem, uma bateria de aquecimento a água quente e um outro ventilador de insuflação na saída.
As UTV têm uma estrutura em perfilado de aço, soldado, revestidas exteriormente com painéis de chapa de aço galvanizado, com isolamento térmico e acústico a lã mineral, com espessura de 25mm e dupla parede. As secções de filtragem são constituídas por pré-filtro e filtro de bolsas, com uma eficiência de 90% gravimétrico e 65% opacimétrico (dados de projecto).
As baterias de aquecimento são de circulação forçada de água em tubo de cobre sem costura, expandido em alhetas de alumínio com lâminas contínuas montadas em plenos paralelos.
10 Como consta nos projectos de arquitectura e de climatização do edificio do DEMI, efectuado pela empresa GITAP.
circular rígida ou circular flexível. Têm isolamento térmico com manta de lã mineral de 30 mm de espessura e massa volúmica de 40 kg/m3 sempre que estas sejam de insuflação e tenham contacto directo com o exterior ou contactem com o interior dos tectos falsos. As tubagens de extracção e recirculação e as de insuflação que forneçam zonas sem tecto falso não terão isolamento térmico.
Para fornecer a água quente necessária para o funcionamento das baterias de aquecimento das UTV, existe um circuito de água quente, que liga as baterias à central térmica. O aquecimento da água na central térmica é realizado por duas caldeiras, que funcionam a queima de gás de tipo GPL. Estas estão preparadas para receber gás natural, como era esperado no projecto que a Faculdade fosse mais tarde abastecida, mas até hoje tal não aconteceu.
As caldeiras de produção de água quente são do tipo monobloco, com tubos de fumo horizontais, de tripla passagem, construídas em chapa de aço, isoladas termicamente por mantas, com protecção metálica desmontável em chapa galvanizada pintada. A exaustão de gases de queima é feita por chaminé em aço inox, isolada termicamente e revestida, com secção e altura recomendada pelo fabricante.
A central térmica irá abastecer de água quente todas as UTV de todos os corpos do edifício, pelo que a potência das caldeiras considerada nesta dissertação não será o valor real destas, mas um valor ponderado que represente a parte da potência que será utilizada apenas pelas unidades do corpo central em estudo.
Os dados do sistema recolhidos indicam que a água será aquecida até 80ºC e é esperado que ela retorne a 60ºC, pelo que, desprezando as perdas nas tubagens de água quente, é suposto que as baterias de aquecimento recebam a água quente a 80ºC e a devolvam com uma redução de 20ºC.
No que toca à tubagem de água quente esta será em aço com costura (ferro preto), série média, e construído de acordo com a Norma DIN 2440. Foi considerado em projecto que todas as tubagens e acessórios de água quente são isolados termicamente, com esponja de borracha (espuma elastomérica), de células fechadas e camada exterior endurecida, de modo a formar uma barreira de vapor. O isolamento da tubagem terá entre 13 a 19 mm de espessura, dependendo do tipo de tubo.
Nas tubagens que são de montagem nas coberturas e na central térmica, o isolamento térmico é protegido exteriormente por um revestimento em alumínio, ou chapa galvanizada pintada. As chapas de aço têm uma espessura mínima de 0,5 mm e protegidas da corrosão, enquanto as chapas de alumínio têm uma espessura mínima de 0,6 mm.
deslocadas do edifício. Uma foi anexada a uma sala de aulas e outra passou a ser um laboratório. Não só o motivo pelo qual estas foram instaladas deixou então de existir, como os técnicos do campus da Faculdade responsáveis pela manutenção do edifício, referem que não se lembram de alguma vez as UCA terem sequer sido utilizadas.
Regressando às UTV, note-se que estas se encontram providas apenas de bateria de aquecimento, não existindo nenhum componente ou sistema (já que se excluíram as UCA) dedicado ao arrefecimento do ar insuflado. A explicação é que durante a concepção dos sistemas se considerou que o edifício apenas teria necessidades significativas de aquecimento e que – tendo em conta a zona climática em que se encontra, a sua localização perto do mar e considerando que os ganhos internos de calor não seriam exagerados – não existiriam necessidades relevantes de arrefecimento.
O arrefecimento no período de Verão é então garantido apenas por Free Cooling, ou seja, por insuflação do ar exterior, sempre que a temperatura deste seja inferior à presente no interior do corpo do edifício.
Foram incorporadas em algumas UTV permutadores de calor, quando em projecto foi considerado que as potências e caudais de ar extraído atingiam valores significativos. No caso do corpo central em estudo apenas uma das unidades – a UTV5 – possui permutador de calor, com rendimento de 60%.
Na caixa de mistura de cada UTV existem registos para regulação do caudal na admissão de ar novo, rejeição de ar recirculado e insuflação de ar climatizado. Estes são motorizados e manipulados pelos controladores do sistema, podendo ir desde totalmente abertos a fechados. A admissão e rejeição de ar permitem o já mencionado funcionamento em modo Free Cooling.
Como está descrito no projecto, o comando e controlo do sistema de climatização é realizado por um sistema SGC, que se encontra ligado permanentemente a um computador. Este último permite uma rápida e acessível programação remota dos controladores de cada componente do sistema. Estes controlam quando deve o sistema de climatização ligar ou desligar alguns dos seus componentes, através da definição de horários e da análise das temperaturas do ar extraído das zonas e da água quente que circula nos sistemas. Este sistema de controladores pode ser considerado como avançado para a época em que foi instalado, em 1997.
1.7. Descrição breve e estado actual da ventilação mecânica
a extracção de gases nocivos ou com cheiros. Encontram-se ligados, o primeiro, à hotte do laboratório da ala direita do piso 2, por cima da bancada onde se realizam trabalhos de soldadura; e o segundo ligada ao exaustor da cozinha do Bar. Dado que o VE 7 será apenas esporadicamente utilizado, não será considerado. O exaustor da cozinha VE 6 terá um caudal de extracção de 500 m3/h e irá ser accionado durante o período de preparação de refeições, ou seja, entre as 11:30 e as 14 horas de cada dia útil da semana.
De forma a evitar a propagação de cheiros da confecção de comida do Bar para os corredores e restantes salas do edifício, o ventilador VE 4 – de extracção total de 3750 m3/h – irá extrair a maior parte do ar interior do Bar e das suas zonas adjacentes, que assim sendo não será recirculado pela UTV 4 que os climatiza. O ventilador é ainda encarregue de extrair o ar dos armazéns e do hall do Piso 1. No entanto, segundo o projecto original de ventilação, a extracção desta zona será de 2500 m3/h e não ocorrem infiltrações de ar de outras zonas suficientes sequer para compensar metade desta extracção. Tal foi feito com o objectivo de retirar ar do corpo das escadas, que por sua vez irá entrar no edifício pelo Piso 2. Na prática tal acaba por não acontecer, já que as portas que ligam o hall do Piso 1 ao corpo das escadas encontram-se a maioria do tempo fechadas, já que o Piso 1 é de acesso limitado, algo que deveria ser esperado no projecto inicial. De forma a não criar problemas na simulação, por incongruências no balanço de ar, esta extracção do Piso 1 irá ter um valor reduzido, de forma a igualar as insuflações e infiltrações de ar esperadas para esta zona. Sendo esta zona um espaço não climatizado, não irá ter impacto significativo na simulação.
Por fim, o ventilador VE 3 realiza a extracção de ar das instalações sanitárias e de outros espaços não climatizados. É de referir que embora estes locais (corredores, casas-de-banho e armazéns) sejam considerados nesta dissertação como não sendo climatizados, a ventilação mecânica do edifício foi projectada de forma a que o ar circule sempre das salas para os corredores, levando então parte do ar aquecido para estes e assim aquecendo-os indirectamente (como consta na memória descritiva do sistema de climatização). Este método tem um segundo objectivo que é evitar a propagação de maus cheiros das instalações sanitárias para os corredores e outras zonas.
1.8. Estado actual das instalações de climatização
Antes de mais é de referir que dos componentes do sistema de climatização do edifício, apenas a UTV8 e uma das caldeiras (e seus componentes de ligação e auxiliares) se encontram em funcionamento regular. Os restantes encontram-se desligados há já alguns anos.
facturas energéticas do edifício, dado que estas não representarão o consumo do sistema a funcionar devidamente.
As UTV encontram-se paradas porque a sua manutenção foi negligenciada ao ponto dos sistemas terem ficado danificados. No relatório de uma auditoria que foi feita ao projecto inicial da empresa GITAP, foi analisada a escolha dos sistemas de climatização. Nele pode-se ler que foi considerado, na altura, que os equipamentos, embora algo dispendiosos, eram robustos e iriam funcionar durante um longo período de tempo, desde que a manutenção fosse plenamente e regularmente cumprida. Esta afirmação é salientada no relatório porque se considerava que, dado o local de instalação, os sistemas iriam sofrer com a intempérie por estarem instalados numa zona muito exposta e relativamente próxima ao mar.
Por falta de fundos e/ou por questão de prioridades, a reparação dos sistemas tem sido constantemente adiada. Em Fevereiro de 2011 foi elaborado um plano de reparação, mas até à data não foi executado. Mas neste ponto é de salientar que até os relatórios iniciais do edifício alertavam para o facto de os custos de manutenção compensarem a longo prazo, pois dado o preço elevado dos equipamentos instalados, os custos de reparação de avarias, provocadas por falta de manutenção, seriam sempre muito superiores.
Fica aqui uma lista resumida de avarias do sistema:
· As correias dos motores dos ventiladores partiram-se há muito ou as usadas não são as correctas para a forma e espessura das polias;
· Todos os filtros encontram-se danificados e foram retirados das UTV, pelo que, sendo rigorosos, seria proibido ligar o sistema por não garantir a qualidade de QAI mínima regulamentar (cf. Figuras 15 e 16);
Figura 1.20 – Filtros usados retirados das UTV. Figura 1.21 – Filtros danificados retirados das UTV.
· Os ventiladores de extracção directa de ar ou não funcionam ou, no caso do ventilador do bar (VE6), tem a chaminé inclinada (incorrectamente aparafusada) (cf. Figura 1.23);
· As portas de acesso das UTV encontram-se danificadas, chegando a ter algumas zonas desfeitas pela ferrugem (cf. Figura 1.24);
Figura 1.22 – Cotovelo de tubagem danificado, com isolamento
Figura 1.24 – Ferrugem nas portas de acesso a uma UTV. Figura 1.25 – Componentes das UTV danificados.
· Os termóstatos e fluxostatos das UTV encontram-se danificados e inoperacionais (cf. Figura 1.25);
· Verificou-se que existem colmeias com vespas em pelo menos uma conduta de ar e num resguardo de uma das UTV (cf. Figura 1.26);
Figura 1.26 – Vespas encontradas nas UTV.
reparação e ser necessária a substituição. Alguns estão até a provocar curto-circuitos (cf. Figura 1.27);
· O isolamento térmico interior das caldeiras começa a apresentar falhas;
· Entre outras.
Os quadros eléctricos dos ventiladores e das UTV encontram-se na cobertura, facto que foi muito criticado no relatório de inspecção do projecto inicial, onde se refere que estes não têm protecção suficiente para estarem tão expostos. Os curto-circuitos, que se verificam quando se ligam algumas UTV, podem estar a ser provocados por alguns componentes danificados nestes quadros eléctricos. No entanto, numa primeira inspecção visual do interior destes quadros, verificou-se que se encontravam num estado aceitável, não aparentando à primeira vista avarias.
No que toca aos controladores, que se encontram no interior das caixas dos quadros eléctricos, também estão obviamente desligados, mas aparentam estar em bom estado de conservação e podem ter ainda as variáveis e programas de controlo ainda memorizados. Já o computador que monitorizava e programava todo o sistema de controlo está danificado sem possibilidade de reparação ou recuperação.
1.9. Breve descrição do
software
EnergyPlus
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
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.
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.
Figura 1.30 – Aspecto da interface EP-Launch.
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.
2. Parâmetros para a simulação do corpo central do DEMI-UNL
Neste capítulo apresentam-se os vários parâmetros que são necessários introduzir no ficheiro de simulação do EnergyPlus, de forma a garantir a correcta simulação das perdas e ganhos de calor pela envolvente exterior do corpo central do edifício do DEMI, e assim conseguir simular correctamente as suas necessidades de climatização para manter uma temperatura interior de conforto.
2.1. Parâmetros iniciais necessários para o EnergyPlus
Existem alguns parâmetros iniciais que são necessários para definir qualquer simulação realizada no EnergyPlus. Estes encontram-se na primeira classe ou grupo que surge na Class List do IDF-Editor, o Simulation Parameters.
Figura 2.1 – Parâmetros da classe Simulation Parameters e pormenor do parâmetro SimulationControl
O primeiro parâmetro a colocar é a versão do programa, no Version. Coloca-se apenas o número
O segundo parâmetro, o Simulation Control (cf. Figura 2.1) merece atenção especial. Caso o campo Do Zone Sizing Calculation tenha o valor Yes, ou seja, o valor afirmativo, o programa calcula quais serão as necessidades de aquecimento e arrefecimento para climatizar as zonas, a simular, do edifício. O campo Do System Sizing Calculation utiliza os valores obtidos no campo anterior para as zonas para determinar quais as potências e caudais necessários para os sistemas de climatização. Finalmente o campo Do Plant Sizing Calculation utiliza os valores obtidos no campo anterior para os sistemas para determinar quais as potências e caudais necessários para as plantas de climatização, quer sejam de arrefecimento ou aquecimento, como torres de arrefecimento ou caldeiras.
Ainda neste parâmetro encontram-se os campos Run Simulation for Sizing Periods e Run Simulation for Weather File Run Periods. Mais uma vez estes dependem do que se pretende simular. Caso seja uma simulação para calcular as potências e caudais dos sistemas de climatização, durante períodos de tempo relativamente pequenos – como o dia mais frio do ano ou um dia de projecto –,
deve-se colocar Yes no primeiro campo. No entanto se a simulação vai ser efectuada sem os campos Sizing anteriores activados e para períodos de tempo mais longos – como um ano inteiro de simulação –, deve-se colocar Yes no deve-segundo campo. Note-deve-se que estes campos são independentes um do outro e nada impede uma simulação de correr para diferentes dias de projecto, e de seguida para um ano inteiro, tudo numa única execução. Para mais informações, consulte-se a secção 2.3.Períodos de simulação.
No parâmetro Building inserem-se algumas informações gerais sobre o edifício, como o seu nome, no campo Name. É também introduzido o ângulo entre o eixo norte principal, pelo qual o edifício vai ser construído no programa, e o eixo norte real, no campo North Axis. Para o corpo central do edifício do DEMI o valor será 0, pois ambos estão alinhados. O campo Terrain deverá reflectir a exposição ao vento do terreno onde se situa o edifício. Dada a proximidade deste ao mar introduziu-se o valor Ocean13. No que toca ao algoritmo utilizado para calcular a distribuição da luz solar e os sombreamentos no interior do edifício – o campo Solar Distribution – foi introduzido o valor FullExterior. Este valor faz com que se simulem os sombreamentos causados por elementos exteriores ao edifício e que a luz solar que entra no seu interior irá incidir toda apenas no chão de cada zona, sem reflexões. Algoritmos mais complexos neste campo não são possíveis por limitações do programa, dado que este só o consegue fazer para edifícios com forma convexa, que não é o caso do corpo em estudo.
13 O valor
Figura 2.2 - Formas de edifícios que o EnergyPlus considera como de geometria convexa (lado esquerdo) e não convexa (lado direito).
Os restantes campos deste parâmetro tratam-se de valores de convergência para os cálculos da simulação e foram deixados com os seus valores por defeito.
O parâmetro ShadowCalculation foi deixado com os seus valores por defeito. Trata da frequência com que os cálculos das sombras devem ser realizados (o valor por defeito é de 20 em 20 minutos) e qual o número máximo de sombras sobrepostas que este considera.
Nos parâmetros SurfaceConvectionAlgorithm: Inside e Outside escolhem-se que algoritmos serão utilizados para calcular as trocas de calor por convecção nas superfícies do edifício, quer no contacto com o ar exterior, quer com o ar interior, respectivamente. Utilizam-se em ambos os algoritmos por defeito por serem os que melhor conjugam precisão com rapidez de cálculo. No primeiro utiliza-se o algoritmo TARP e no segundo o algoritmo que foi desenvolvido no programa DOE-2.
Com a mesma filosofia, utiliza-se o algoritmo ConductionTransferFunction, para o cálculo dos balanços de calor nas superfícies, no parâmetro HeatBalanceAlgorithm, e o algoritmo ThirdOrderBackwardDifference para o cálculo dos balanços de calor do ar no interior das zonas do edifício, no parâmetro ZoneAirHeatBalanceAlgorithm.
