trace 700

Anlise de Programas de Clculo de Consumo de Energia em Edifcios

Patrcio Daniel Vinha Ribeiro

Relatrio do Projecto Final / Dissertao do MIEM

Orientadores na Edifcios Saudveis: Eng. Ricardo S

Orientadores na FEUP: Prof. Armando Oliveira

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

Julho 2008

Anlise de Programas de Clculo de C. de Energia em Edifcios

iii

Aos meus pais e minha namorada por

me terem ajudado neste percurso...


v

Resumo

Este trabalho foi realizado no mbito da cadeira de Projecto do Mestrado Integrado de Engenharia Mecnica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e decorreu em ambiente empresarial, concretamente na Edifcios Saudveis. O seu objectivo consiste na comparao de dois softwares de simulao trmica dinmica detalhada de edifcios: TRACE 700 e Energy Plus.

Desta forma foi definido um edifcio de raiz (rea: 3445 m2) para aplicao dos referidos programas de simulao Caso de Estudo. Apesar de no ser o objectivo principal, a definio do edifcio teve em conta recomendaes da ASHRAE conducentes a uma maior eficincia energtica.

Numa primeira abordagem, os resultados (necessidades trmicas) mostraram fortes discrepncias, o que imps a necessidade de uma anlise exaustiva de ambos os programas. Dada a elevada complexidade do Caso de Estudo, optou-se por utilizar modelos mais simples, nomeadamente alguns dos que constam na norma de acreditao dos programas de simulao detalhada, a ASRHAE 140-2004.

Desta anlise apuraram-se algumas diferenas ao nvel da modelao dos fenmenos da transferncia de calor. O de maior impacto tem a ver com a definio do coeficiente de conveco exterior. Tambm foi possvel concluir que o TRACE 700 apresenta resultados sistematicamente superiores aos referenciados na norma para outros programas, nas necessidades de arrefecimento.

Por fim, tendo em ateno as concluses anteriores, repetiram-se as simulaes no Caso de Estudo, impondo agora, no TRACE 700, uma metodologia de clculo dos coeficientes de conveco exteriores que permitiu a obteno de resultados menos dspares: nas necessidades de aquecimento a diferena de 2% mas para as de arrefecimento sobe para os 45%. Apesar desta diferena, em favor do TRACE 700 jogam factores como a simplicidade e a interface amigvel, de que resulta uma rpida e relativamente fcil aprendizagem, quando comparado com o Energy Plus.

Em jeito de concluso, pode-se afirmar que o Energy Plus uma ferramenta de maior complexidade, especialmente indicada para situaes que exijam maior rigor e informao sobre variveis especficas. O TRACE 700 til quando basta uma anlise mais simplista e que requeira menos outputs especficos.


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Abstract

This work was performed under the scope of the final project conducting to Master degree on Mechanical Engineering, conceded by the Faculty of Engineering of the University of Porto. It was conducted in an Energy and Environment company called Edifcios Saudveis. The purpose of the work is the comparison between two detailed thermal simulation softwares: TRACE 700 and Energy Plus.

Thus, for application of the softwares, a building was defined (area of 3445 m2) - Case Study. Although it was not the main objective, the definition of the building took into account recommendations of ASHRAE leading to a higher energy efficiency.

On a first analysis, the results (thermal needs) presented great discrepancies between both softwares, which imposed the need for a comprehensive analysis. Given the high complexity of the Case Study it was decided to use simpler models, including those proposed in the standard accreditation for detailed simulation softwares, ASRHAE 140-2004.

Differences in the modelling of heat transfer phenomena were detected. Definition of the external convection coefficient is the parameter with the most impact. It was also possible to conclude that TRACE 700 presents higher thermal needs for cooling than those referenced in the ASHRAE standard.

Finally, taking into account the conclusions above, simulations of the Case Study were repeated, imposing a methodology for calculating the external convection coefficients that allowed reducing the asymmetrical results of TRACE 700: the difference between heating needs is 2% but for cooling needs rises up to 45%. Despite this difference, TRACE 700 has advantages such as simplicity and user-friendliness, resulting in a quick and relatively easy to learn software, compared to Energy Plus.

One can say that Energy Plus is a tool with greater complexity, especially suitable for situations requiring greater accuracy and information on specific variables. TRACE 700 is more useful when a more simplistic approach and less specific outputs are required.


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Agradecimento

Ao professor Armando Oliveira agradeo a oportunidade da realizao e a orientao deste trabalho.

Uma palavra de agradecimento empresa Edifcios Saudveis e a todos os seus colaboradores, em especial ao Eng. Ricardo S e ao Eng. Alexandre Varela.

Por ltimo um agradecimento a todas as pessoas que contriburam para execuo deste trabalho, em particular ao Rui Almeida e ao Lus Teixeira.


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ndice RESUMO V

ABSTRACT VII

AGRADECIMENTO IX

1. INTRODUO 3

Contexto 3

Actualidade 4

Objectivos 6

2. PROGRAMAS DE SIMULAO 7

2.1. ENERGY PLUS 7

2.2. TRACE 700 9

3. CASO DE ESTUDO 11

3.1. FORMA DO EDIFCIO 12

3.2. DEFINIO DA ENVOLVENTE 14

Parede Exterior 14

Parede Interior 15

Laje entre Pisos 15

Cobertura 16

Laje em contacto com o solo 16

3.2.1. Tipologia de envidraados 17

Iluminao Natural 17

Ventilao Natural 17

3.2.2. Sombreamentos 18

3.2.3. Sistemas de climatizao 19

3.3. CONDIES DE FUNCIONAMENTO 20

Ocupao 21

Iluminao 21

Equipamentos 22

4. COMPARAO ENTRE OS PROGRAMAS CASO DE ESTUDO 23

4.1. VERIFICAO DA NORMA ASHRAE 140-2004 23

4.1.1. Informaes comuns a todos os casos 24

4.1.1.1. Propriedades dos envidraados 24

4.1.1.2. Ficheiro Climtico 25

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4.1.1.3. Infiltraes 25

4.1.1.4. Ganhos Internos 25

4.1.1.5. Sistema de Climatizao 26

4.1.2. Construo da envolvente de baixa densidade 26

4.1.2.1. Caso 600 Construo de baixa densidade 28




4.1.3. Construo da envolvente de alta densidade 29

4.1.4. Notas sobre a modelao 31

4.1.4.1. TRACE 700 31

Especificao dos materiais 31

Coeficiente de conveco exterior 31

Coeficiente de conveco interior 32

Opes de clculo 32

4.1.4.2. Energy Plus 32

Especificao dos materiais 32

Coeficiente de conveco exterior e interior 32

Opes de clculo 32

4.2. ANLISE AOS CASOS DE ESTUDOS DA ASHRAE 140-2004 33

4.2.1. Anlise do ficheiro climtico 33

4.2.2. Anlise dos Coeficientes de conveco 36

4.3. RESULTADOS DOS CASOS DE ESTUDOS DA ASHRAE 140-2004 39

5. RESULTADOS 45

5.1. COMPARAO DOS FICHEIROS CLIMTICOS DO PORTO 46

5.2. CONTRIBUIO DA ENVOLVENTE PARA O ERRO FINAL 49

5.3. ANLISE DO CALOR TROCADO POR RADIAO 51

5.4. RESULTADOS FINAIS 54

6. CONCLUSES 61


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Abreviaturas e Acrnimos

AVAC Aquecimento, Ventilao e Ar Condicionado;

Dedicated AO- Ar exterior dedicado;

UTAN - Unidade de Tratamento de Ar Novo;

RCCTE - Regulamento das Caractersticas de Comportamento Trmico dos Edifcios;

RSECE Regulamento de Sistemas Energticos de Climatizao em Edifcios

RPH Renovaes Por Hora

LT Lighting and Thermal method of design

OS- Open Space

G- Gabinete


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1. Introduo

Contexto

A gesto dos recursos de energia hoje um dos principais desafios que, a nvel mundial, a sociedade moderna enfrenta.

O desenvolvimento econmico prevalecente nas ltimas dcadas, tem-se caracterizado pela utilizao muito intensa de energia produzida a partir de recursos de origem fssil. A natureza finita desses recursos naturais, e o impacto ambiental da sua produo e consumo, alertaram o Mundo para a necessidade de mudana dessas premissas de suporte ao modelo de desenvolvimento.

Aliada a esta realidade surgiram ainda as evidncias da globalizao que hoje nos demonstram a interdependncia de factores at h pouco olhados como independentes, tais como o acesso e a utilizao de energia e o desenvolvimento econmico, o combate pobreza e as preocupaes ambientais e climticas, entre outros. Novos caminhos tm que ser encontrados para viabilizar a manuteno dos padres de vida das sociedades desenvolvidas e as justas aspiraes dos pases em desenvolvimento, sem contudo comprometer o futuro das geraes vindouras.

A soluo a este desafio passa pela procura de fontes alternativas de energias, com nfase especial para as renovveis e pelo aumento de eficincia da utilizao das energias disponveis.

A maneira como utilizamos a energia de que dispomos uma questo chave neste processo e por isso o aumento da eficincia energtica de uma forma global o caminho do desenvolvimento sustentvel, isto , produzindo mais com menos impacto, numa cultura de eco-eficincia, com os consequentes resultados positivos a nvel econmico, social e ambiental.

O conceito de desenvolvimento sustentvel surgiu no final do sculo XX, pela constatao de que o desenvolvimento econmico tambm tem que levar em conta o equilbrio ecolgico e a preservao da qualidade de vida das populaes humanas a nvel global. A ideia de desenvolvimento sustentvel tem por base o princpio de que o Homem deve gastar os recursos naturais de acordo com a sua capacidade de renovao, de modo a evitar o seu esgotamento. Assim, entende-se por desenvolvimento sustentvel aquele que atende s

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necessidades do presente sem comprometer a possibilidade de as geraes futuras fazerem o mesmo [1].

Apresenta-se na Figura 1 uma representao simblica da sustentabilidade a nvel de gesto de recursos naturais.

Figura 1 Sustentabilidade: Gesto de Recursos [1]

Actualidade

O consumo de energia dividido em trs grandes grupos: Indstria, Transportes e Edifcios. Em 2004, estes trs sectores foram responsveis, respectivamente, por 27.9%, 31% e 36.3% da energia primria consumida em Portugal [2]. Devido instalao de sistemas de climatizao, o consumo de energia dos Edifcios tendo vindo a agravar-se: a taxa de crescimento mdia dos ltimos anos ronda os 12% [3], muito acima do crescimento da economia nacional.

Consumo de Energia Primria Portugal

Transportes31%

Indstria28%

Edifcios36%

Agr e Pescas2%

Outros3%

Figura 2 Consumo de energia primria em Portugal (ano 2004).

Na sequncia destas necessidades de aumento da eficincia energtica surgiu a directiva europeia 2002/91/CE de 16 de Dezembro relativa ao desempenho energtico dos edifcios, com o objectivo de promover a melhoria do desempenho energtico dos edifcios na


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Comunidade, tendo em conta as condies climticas externas e as condies locais, bem como as exigncias em matria de clima interior e a rentabilidade econmica.

Esta regulamentao foi parcialmente transcrita para a legislao nacional pelo Decreto-lei n 78/2006 de 4 de Abril que aprova o Sistema Nacional de Certificao Energtica e da Qualidade do Ar Interior nos Edifcios (SCE). O SCE um dos trs pilares sobre os quais assenta a nova legislao relativa qualidade trmica dos edifcios em Portugal e que se pretende venha a proporcionar economias significativas de energia para o pas em geral, e para os utilizadores dos edifcios em particular. Em conjunto com os regulamentos tcnicos aplicveis aos edifcios de habitao (RCCTE, DL 80/2006) e aos edifcios de servios (RSECE, DL 79/2006), o SCE define regras e mtodos para verificao da aplicao efectiva destes regulamentos s novas edificaes, bem como, numa fase posterior, aos imveis j construdos.

Nestas publicaes foram definidos valores mximos de consumo energtico para as diferentes tipologias de utilizao, acima dos quais os edifcios no podem ser licenciados ou operar. Este valor , no caso concreto dos novos edifcios de escritrios, de 35 kgep/(m2.ano) e 40 kgep/(m2.ano) para os existentes.

A simulao trmica detalhada, para alm de obrigatria no mbito regulamentar, uma ferramenta indispensvel no sentido do aumento da eficincia quer ao nvel da optimizao da potncia dos equipamentos, quer ao nvel do estudo e materializao de medidas de mitigao. neste mbito que surge a importncia da simulao dinmica detalhada do consumo de energia dos edifcios.

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Objectivos

Existem vrios programas de simulao dinmica detalhada, no entanto, para muitos deles, desconhecida a fiabilidade bem como outras vantagens e desvantagens especficas. Tendo em conta o interesse apresentado pela empresa em que decorreu este trabalho, procurou-se explorar as potencialidades e limitaes do TRACE 700 [4] por comparao ao Energy Plus [5], que tido como um programa de referncia. Tentou-se assim determinar at que ponto, e em que situaes especficas, se pode considerar o TRACE 700 como substituto plausvel do Energy Plus. No captulo 2 apresentam-se, sucintamente, estas duas ferramentas de clculo.

Dada a necessidade de definio de um edifcio para simular com ambos os programas optou-se pela utilizao de algumas estratgias conducentes a uma melhor eficincia energtica, com base em documentao prpria. A definio do edifcio encontra-se no captulo 3.

No captulo 4 so expostos alguns testes recomendados pela norma de acreditao de programas de simulao: ASHRAE 140-2004.

No captulo 5 sero apresentados e relatados os resultados das simulaes feitas ao caso de estudo desenvolvido para a execuo deste trabalho, bem como alguns estudos feitos com base nas concluses tiradas dos modelos de teste do captulo 4.


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2. Programas de Simulao

2.1. Energy Plus O EnergyPlus um programa de simulao energtica em edifcios, vocacionado para

a modelao de sistemas de aquecimento, arrefecimento, iluminao, ventilao e outros fluxos energticos. Esta ferramenta gratuita surgiu com base em dois programas existentes, BLAST1 e DOE-2, desenvolvidos pelo DOE2 em colaborao com diversos investigadores de vrios pases tendo sido desenvolvido em cdigo aberto.

Em relao a outras ferramentas disponveis o EnergyPlus destaca-se pelo rigor na modelao da geometria do edifcio (incluindo edifcios adjacentes), sistemas de AVAC, e pela possibilidade de integrao de modelos que facilitam os estudos de optimizao energtica (iluminao natural e artificial com dimmers, sistemas de ventilao natural e hbrida, superfcies "radiantes", painis solares, etc.). No entanto, deve referir-se que a introduo de novos mdulos no cdigo do programa uma tarefa complexa, e que exige um elevado grau de formao por parte do utilizador.

O programa foi escrito em FORTRAN90. Uma das grandes vantagens desta linguagem a sua capacidade de modularizao das subrotinas. Esta organizao em mdulos permite que diferentes pesquisadores e programadores possam desenvolver seus blocos e subrotinas simultaneamente, sem interferir em outros mdulos que esto sendo desenvolvidos e com uma necessidade limitada de conhecimento de toda a estrutura do programa.

Existem tambm mdulos que foram desenvolvidos para permitir a interaco entre o EnergyPlus e outros programas, como por exemplo o COMIS33, programa que analisa a distribuio dos caudais de ar no interior dos espaos e que ser apresentado em seguida. Na figura seguinte [5] representa-se, esquematicamente, a ligao entre os diferentes programas e mdulos, no que forma o cdigo base do EnergyPlus.

1 Building Loads Analysis and System Thermodynamics 2 Department of Energy

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Figura 3 Esquema de princpio do Energy Plus.

O EnergyPlus surge da necessidade de criar um sistema de simulao integrada, ou seja, sistema e necessidades energticas em simultneo para cada intervalo de tempo. Para esse efeito, foram desenvolvidos dois mdulos, um que diz respeito ao edifcio, e o clculo das potncias mximas dos equipamentos a instalar nos espaos, e outro para a definio dos sistemas. Esta integrao permite a obteno das temperaturas das zonas mais precisas e prximos dos casos reais, o que fundamental para o correcto dimensionamento de sistemas, anlise de conforto e de QAI3.

O programa utiliza modelos detalhados de:

Transferncias radiativas e convectivas em superfcies exteriores e interiores;

Sistemas de AVAC (elevada flexibilidade);

Trocas de calor com o terreno de implantao;

Transferncia de massa (absoro/adsoro de humidade, produo no interior);

Conforto trmico dos ocupantes;

Modelo de cu anisotrpico (determinao da radiao e temperatura do cu, entre outros);

simulao de sistemas de iluminao natural e hbridos (controle automtico);

Simulao de Ventilao por Deslocamento (DCV);

Simulao de temperaturas e caudais de ventilao natural (COMIS).

Trata-se de um software autnomo com o inconveniente de ainda no possuir uma interface grfica que facilite a sua utilizao. No entanto, os Inputs e Outputs so

3 Qualidade do Ar Interior


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documentos de texto apresentados na forma ASCII4 que permite a importao e exportao de dados entre outros softwares, nomeadamente Google SketchUp, DesignBuilder, Ecotec, SPR, entre outros.

O EnergyPlus necessita de uma srie de dados de entrada, os quais descrevem o edifcio sob anlise, e de dados climticos da localidade na qual ele se encontra. Aps a realizao da simulao, o programa produz at 23 arquivos de sada. A interpretao destes arquivos no simples, sendo que eles precisam passar por uma anlise ou serem arranjados por um outro programa de interface mais amigvel, para que os resultados da simulao tenham algum sentido.

Relativamente aos mtodos de clculo utilizados, existem trs mtodos distintos que podem ser utilizados, CTF, EMPD5 e CondFD6.

O CTF apenas contabiliza trocas de calor sensveis, e no tem em considerao o armazenamento e a difusividade de humidade dos elementos construtivos. O EMPD considera a difusividade de calor sensvel e a humidade armazenada nas superfcies interiores, o que implica uma necessidade adicional de informaes especficas dos materiais para este caso. O CondFD s tem conta trocas de calor sensvel e no tem cm considerao e difusividade e o armazenamento de humidade nos elementos construtivos. Esta soluo aplica um mtodo unidimensional de diferenas finitas aos elementos da envolvente [6].

2.2. Trace 700 O TRACE 700 um programa de clculo de carga trmica e de anlise econmico-

energtica, desenvolvido pelo grupo C.D.S., da empresa TRANE Company. Ao contrrio do EnergyPlus, este software no gratuito, necessitando de uma licena paga para instalao. um programa de interface amigvel, sendo de fcil interaco com o utilizador. A entrada de dados feita atravs do ProjectNavigator, uma das trs formas de visualizar o programa.

No TRACE 700 possvel inserir e alterar detalhes da construo e mudar o modelo em estudo a qualquer momento durante o projecto do sistema de climatizao. possvel fazer a modelao do sistema com vrias opes de equipamentos, tambm permite uma anlise do custo energtico e do tempo de retorno de investimento de cada modelo, ajudando a optar pela opo mais vivel. Este software possibilita criar at quatro opes de modelos diferentes para estudar o melhor resultado. No programa existem extensas bibliotecas com informaes de materiais de construo, arranjos construtivos, cargas internas (pessoas e equipamentos), programao (schedule) de funcionamento do edifcio e equipamentos de climatizao, bem como uma variedade de dados climticos com 448 localidades, incluindo o Porto. Apesar da diversidade de materiais existentes na biblioteca de elementos construtivos, eles so mais comuns nos Estados Unidos, sendo necessria a insero de materiais adequados realidade Portuguesa.

A biblioteca de dados climticos do TRACE 700 baseada nos dados de frequncia acumulada de 2.5% da ASHRAE, o que significa que durante 219 horas das 8760 do ano, determinado dado climtico ficou acima daquele especificado.

4 American Standard Code for Information Interchange 5 Effective Mean Penetration Depth 6 Conduction Finite Difference

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Metodologia de clculo do TRACE 700

No TRACE 700 possvel utilizar tanto o mtodo CLTD/CLF7 como o TETD/TA8. Porm o TRACE 700 no utiliza dados tabelados para o mtodo CLTD/CLF para o clculo de carga trmica, como normalmente feito quando se utiliza este mtodo. Normalmente o mtodo CLTD/CLF utilizado para clculos manuais, utilizando casos construtivos tabelados. No TRACE 700, o mtodo CLTD/CLF realizado baseado nas equaes utilizadas para gerar as tabelas deste mtodo, ou seja, quando o programa se refere ao mtodo CLTD/CLF, quer dizer que utilizou o mtodo TFM9 para gerar os dados a aplicar na metodologia CLTD/CLF.

O mtodo TETD/TA apresenta alguns problemas, uma vez que no existem dados publicados a respeito de quantas horas so necessrias para fazer a mdia temporal da poro radiante do ganho de calor. Normalmente o mtodo TFM (mtodo exacto das CLTD/CLF) utilizado pelo TRACE 700 calcula cargas trmicas at 30% menores (principalmente cargas solares) do que aquelas calculadas pelo mtodo TETD.

Existem seis opes de metodologia de clculo de carga trmica no TRACE 700. Na opo TETD-TA1 faz-se inicialmente o clculo do ganho de calor baseado nas funes de transferncia; a carga trmica do espao ento calculada utilizando o mtodo da mdia temporal (TA - Time Averaging).

A escolha da opo CLTD-CLF (ASHRAE TFM) [6] utiliza funes de transferncia para o clculo do ganho de calor e da carga trmica.

Na opo TETD-TA2 o ganho de calor baseado no mtodo aproximado de TETDs, o qual utiliza factores lambda e delta para descreverem caractersticas de amplitude e atraso da envolvente. O clculo da carga trmica finaliza-se com a tcnica da mdia temporal, como esta opo menos exacta do que a TETD-TA1, recomenda-se que a opo TETD-TA2 seja utilizada apenas para fins de comparao, apesar de que esta simplificao faz dela uma opo mais rpida na sua fase de clculo da carga trmica.

O TETD-PO, realiza o clculo do ganho de calor atravs do mtodo aproximado das TETDs, mas para a finalizao do clculo da carga trmica utilizam-se os factores de ponderao Post Office RMRG, que foram anteriormente utilizados na verso original do TRACE 700.

A alternativa RP359 baseada no projecto de pesquisa 359 da ASHRAE; o ganho de calor baseado no mtodo das funes de transferncia, enquanto que a carga trmica calculada com base nos coeficientes de transferncia para cada espao (factores de ponderao) gerados para combinaes especficas de componentes de edifcios. Este mtodo utiliza o mesmo algoritmo do mtodo CLTD/CLF, o que muda so os coeficientes para os espaos utilizados para o clculo da carga trmica.

Na ltima opo, CEC-DOE2, o mtodo de clculo de carga trmica duplica os factores ponderadores pr-calculados (PWF Precalculated Weighting Factors) do programa de anlise energtica DOE2.1c, os clculos so baseados nos factores da ASHRAE para construes leves, mdias e pesadas.

7 Cooling and load temperatute difference / cooling load factor 8 Total equivalente tempereture diference / Time averaging 9 Conduction transfer function


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3. Caso de Estudo

Por convenincia da empresa Edifcios Saudveis, surgiu a ideia de construir um edifcio eficiente do ponto de vista energtico para utilizar na comparao dos softwares de simulao. A sua execuo baseou-se em algumas publicaes e estudos que relatam formas eficientes de combater o elevado consumo de energia por parte destes.

As estratgias a adoptar para a criao de edifcios sustentveis, passam por um conjunto de regras ou medidas de carcter geral, destinadas a influenciar a forma do edifcio, bem como os seus processos, sistemas e solues construtivas. As estratgias a adoptar num determinado edifcio ou projecto, devero ser seleccionadas tendo em ateno a especificidade climtica do local, a funo do edifcio e, consequentemente, o modo de ocupao e operao do mesmo, com o objectivo de promover um bom desempenho em termos de adaptao ao clima

No sentido de direccionar o estudo s vo ser considerados aspectos relacionados com a construo da envolvente e algumas tcnicas de optimizao dos sistemas de climatizao. No entanto, seria tambm de enorme interesse a interaco com sistemas provenientes de fontes renovveis, nomeadamente, colectores solares trmicos, colectores fotovoltaicos, microgerao e microelica.

Existem vrios aspectos relevantes na construo de um edifcio sustentvel. Algumas das preocupaes so:

Geometria do edifcio, Definio da envolvente, Utilizao de iluminao natural e sombreadores, Promoo da Ventilao Natural, Utilizao de equipamento de alto rendimento.

Seguidamente descreve-se em detalhe as opes tomadas na construo deste edifcio.

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3.1. Forma do edifcio Existem muitos factores que influenciam a escolha do tipo de geometria para um edifcio.

No entanto, no Caso de Estudo a iluminao (Daylighting) e ventilao naturais foram factores primordiais tidos em conta na escolha da forma do edifcio.

Um edifcio que na sua concepo tenha em conta o factor de forma exterior, pode vir a obter melhores resultados do ponto de vista de consumo energtico do que outro que no o tenha. A construo de uma determinada rea de edifcio pode ser baseada em vrias geometrias distintas, por exemplo, quadrada, alongada, cruzada, rs-do-cho, entre outras (ver figura seguinte). A escolha do tipo de sistema base para a construo tem efeito na rea das respectivas paredes, o que pode representar uma maior ou menor quantidade de calor trocada com a envolvente. O aumento da rea da envolvente tem impacto na quantidade de energia que se gasta para climatizar um espao, ou seja, vo existir mais perdas de calor mas pode-se tirar maior proveito dos recursos naturais disponveis, nomeadamente, luz e ventilao natural.

Figura 4 Sistemas base de construo de um edifcio.

Para a obteno de uma soluo de compromisso entre estas variveis apresentadas, recorreu-se a um estudo existente [7]. Este estudo descreve o efeito da escolha dos diversos tipos de geometria no consumo de energia final do edifcio.

Nesse estudo foi utilizado o mtodo lighting and thermal method of design (LT), que consiste num processo de comparao da energia consumida entre diferentes formas de edifcios. Deste estudo resulta a concluso que possvel reduzir a energia consumida em edifcios custa de um aumento das zonas afectadas por iluminao e ventilao natural, chamadas zonas passivas, em contraponto da zona activa, que frequentemente iluminada custa de luz artificial (ver figura seguinte). Das diferentes geometrias estudadas, foi uma construo em L que apresentou um valor mais reduzido de consumo de energia por unidade de rea.


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Figura 5 Geometria optimizada.

Para tentar criar uma soluo que promova tambm uma maior ventilao natural e tendo ainda em conta a existncia de tipologias semelhantes no portflio da empresa, a geometria escolhida para o modelo de teste deste relatrio passou a ser um conjunto de quatro Ls, conforme se pode verificar na figura que se segue:

Figura 6 Modelo de estudo.

O nome dado a cada uma das zonas foi feito com uma determinada lgica, para que sejam de fcil identificao. Na figura que segue encontram-se os nomes atribudos s zonas do primeiro piso: estes so constitudos por letras no incio que identificam a tipologia do local, seguidos de trs nmeros. O primeiro identifica o piso, o segundo a fraco e o terceiro o

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local. Neste edifcio foram consideradas duas tipologias distintas, Open Space (OS) e Gabinetes (G).

Figura 7 Nome das diferentes zonas.

3.2. Definio da envolvente A envolvente exterior do edifcio paredes, coberturas e pavimentos delimitam o espao

interior do ambiente exterior. A envolvente interior, lajes entre pisos e paredes interiores, separam a fraco autnoma de ambientes por vezes no climatizados, tais como garagens ou armazns, bem como de outras fraces autnomas adjacentes em edifcios vizinhos [8].

Grande parte da rea da envolvente exterior dos edifcios corresponde rea das paredes exteriores fachadas. atravs das paredes exteriores que se processa grande parte das trocas trmicas entre o interior e o exterior, pelo que o estudo cuidado do comportamento trmico das solues construtivas a adoptar na envolvente vertical, fundamental para que se reduza o consumo de energia inerente ao espao associado.

A construo escolhida para cada elemento da envolvente foi feita com base num estudo da ASHRAE [9] e tendo sempre em ateno os limites impostos pela legislao em vigor em Portugal (RCCTE). Neste estudo, foram definidas boas prticas de construo para pequenos edifcios de servios:

Parede Exterior

A soluo de referncia escolhida para esta tipologia foi uma parede de beto com isolamento trmico do lado exterior (capoto). Na tabela que se segue podemos encontrar algumas das propriedades mais importantes da referida parede.


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Tabela 1 Propriedades da parede exterior.

e [m]

[W/(m.C)] R

[(m2.C)/W]U

[W/(m2.C)] i

[kg/m3] mi

[kg/m2]Msi

Corrigidos[kg/m2]

Resistncia exterior - - 0.040 -

Reboco exterior delgado (cor clara) 0.008 1.8 0.004 2000

Poliestireno extrudido 0.03 0.037 0.811 20

Beto normal 0.15 2.00 0.075 2450

Reboco interior 0.015 1.8 0.008 2000

Resistncia interior - - 0.130

0.94

-

397.5 150

Parede Interior

A parede interior consiste num pano de alvenaria revestida com reboco de cimento em ambas as faces.

Tabela 2 Propriedades das paredes interiores.

e

[m]

[W/(m.C)]R

[(m2.C)/W]U

[W/(m2.C)] i

[kg/m3] mi

[kg/m2]

Msi

Corrigidos[kg/m2]

Resistncia exterior - - 0.130 - Reboco interior 1 0.015 1.8 0.008 2000 Pano de alvenaria de tijolo furado normal 0.07 0.41 0.170 1714

Reboco interior 2 0.015 1.8 0.008 2000 Resistncia interior - - 0.130

2.24

-

180 90

Laje entre Pisos

Tabela 3 Propriedades da Laje entre pisos.

e

[m]

[W/(m.C)]R

[(m2.C)/W]U

[W/(m2.C)]i

[kg/m3] mi

[kg/m2] Msi

Corrigidos[kg/m2]

Resistncia exterior - - 0.100 - Ladrilhos 0.008 0.13 0.062 Piso tcnico 0.3 0.16 2300 Betonilha de Regularizao 0.1 1.8 0.056 2000 Laje de Beto 0.2 2 0.100 2450 Reboco 0.015 1.8 0.008 2000 Resistncia interior - - 0.100

1.71

-

738.4 150

16

Cobertura

e [m]

[W/(m.C)] R

[(m2.C)/W] U

[W/(m2.C)] i

[kg/m3]mi

[kg/m2] Msi Corrigidos

[kg/m2] Resistncia exterior - - 0.040 - Godo mdio 0.015 2 0.008 1950 Poliestireno expandido 0.04 0.037 1.081 20 Tela impermeabilizadora 0.001 0.7 0.001 2100 Betonilha de Regularizao 0.1 1.8 0.056 2000 Laje de beto 0.2 2 0.100 2450 Reboco interior 0.02 1.8 0.011 2000 Resistncia interior - - 0.100

0.72

-

730 150

Laje em contacto com o solo

e [m]

[W/(m.C)]R

[(m2.C)/W]U

[W/(m2.C)]i

[kg/m3] mi

[kg/m2] Msi

Corrigidos[kg/m2]

Resistncia exterior - - 0.100 - Ladrilhos 0.008 0.13 0.062 Piso tcnico 0.3 - 0.16 2300 Betonilha de Regularizao 0.1 1.8 0.056 2000 Laje de Beto 0.2 2 0.100 2450 Tela impermeabilizadora 0.001 0.7 0.001 2100 Resistncia interior - - 0.100

1.73

-

710.5 150


17

3.2.1. Tipologia de envidraados

O sistema utilizado para definir os envidraados foi de acordo com as recomendaes da Ref. [9]. Dado que os envidraados so os principais responsveis pela quantidade de luz e ventilao natural do edifcio, a dimenso das janelas feita tendo em considerao estes factores.

Iluminao Natural

A iluminao artificial deve ser substituda sempre que possvel por luz natural. A quantidade de luz natural que se consegue ter no interior do edifcio funo do tipo de janelas usadas e da sua dimenso. Em geral boa prtica que os envidraados sejam aproximadamente 40% da rea da parede em que esto inseridas [9]. Com este valor consegue-se uma soluo de compromisso entre a carga trmica e o ganho de luz natural pelo envidraado. Esta soluo consegue luz natural at cerca de 6 metros para o interior.

Ventilao Natural

Em edifcios de servios, o consumo tpico referente ventilao mecnica assume cerca de 17% da energia total consumida [7]. No sentido de tentar reduzir esta fatia deve-se aproveitar sempre que possvel a ventilao natural disponvel. Face geometria escolhida para o edifcio, o mtodo que mais se aplica denominado por ventilao transversal [7] [10]. Neste mtodo, uma quantidade de ar atravessa o edifcio atravs de aberturas prprias, fomentadas pela diferena de presso existente entre as fachadas. Com esta estratgia de ventilao a distncia mxima entre paredes para que a ventilao tenha um bom desempenho de cerca de 13 metros [7].

Para optimizar a quantidade de luz e ventilao natural, foram criadas nas fachadas da envolvente do edifcio dois tipos de envidraados. Na cota inferior situa-se a janela denominada por Janela de visualizao, que consiste num tipo de janela vulgarmente utilizada nas construes da actualidade. Na cota superior, encontra-se a Janela de luz natural, conforme exemplificado na figura seguinte. Esta vai ser a principal responsvel pela iluminao e ventilao natural.

Figura 8 Sistema de envidraados no modelo de estudo.

Relativamente s propriedades dos vidros, segundo a Ref. [9], a quantidade de luz transmitida pela janela de luz natural deve estar compreendida entre 0.50 e 0.70, ao passo que a janela de visualizao deve conter o factor solar entre 0.35 e 0.50. De acordo com estas recomendaes as propriedades dos vidros escolhidos foram as seguintes:

18

Tabela 4 Propriedades dos envidraados.

Envidraados Vidro Ext. PARSOL GREEN 6.0 mm Vidro Int. PLANILUX 4.0 mm Tipo Duplo Espessura 26.4 mm Peso 35.4 kg/m2 Factor UV Transmisso 1 % Factores luminosos Transmisso 64 % Reflexo exterior 11 % Reflexo interior 13 % Factores energticos EN 410 Transmisso 34 % Reflexo exterior 7 % Absoro A1 52 % Absoro A2 6 % Factor solar 0.45 Coeficiente de sombreamento 0.51 Transmisso Trmica U 2.8 W/(m2.k)

3.2.2. Sombreamentos

O sistema de sombreamento considerado foi unicamente utilizado na orientao Sul. De acordo com o sistema de janelas utilizado, foi escolhido um sistema de sombreamento constitudo por duas palas horizontais. Para alm de sombrear, i.e. eliminar a radiao directa nos vos envidraados, a pala inferior reflecte iluminao para o tecto do espao aumentando a luz natural.

Figura 9 Sistema de sombreamento e reflexo da luz natural para o interior.


19

A pala superior tem uma largura de 0.55m e a inferior 1.15m, e estendem-se ao longo de toda a fachada.

3.2.3. Sistemas de climatizao

Na climatizao do edifcio foi utilizado um sistema ar-gua de controlo multizona. Para satisfazer as necessidades trmicas de cada espao recorreu-se tambm a um Fan-Coil alimentado por um sistema centralizado de gerao de energia trmica (gua fria e quente). As temperaturas de set-point do ar interior so as seguintes:

1 de Outubro a 31 de Maio: 20C;

1 de Junho a 30 de Setembro: 25C.

Nas tabelas que se seguem encontra-se algumas das condies de funcionamento.

Tabela 5 Temperaturas limite de operao do Fan Coil.

Temperaturas Limite de Insuflao

Max 27 C

Min 18 C

Tabela 6 - Horrio de funcionamento do Fan-Coil.

Horrio do Sistema

Das 0:01 s 6:00 Desligado Das 6:01 s 20:00 Ligado Das 20:01 s 0:00 Desligado

Figura 10 Esquema representativo de um Fan Coil.

Espao

Baterias Ventilador

20

Relativamente ao ar exterior de higienizao, este tratado numa unidade centralizada (UTAN), sendo posteriormente conduzido para os diferentes locais do edifcio. O caudal mnimo necessrio foi estipulado de acordo com a EN13779 (ver tabela seguinte).

Tabela 7 Caudal mnimo de ar novo

Caudais

Especfico 45 [m3/(hora.pessoa)]

Total 10335 [m3/hora]

Tabela 8 Horrio de funcionamento da UTA.

Horrio do Sistema

Das 0:01 s 6:00 Desligado Das 6:01 s 20:00 Ligado Das 20:01 s 0:00 Desligado

O ar exterior ser insuflado em condies controladas de temperatura: 18C. Este valor tem em conta a necessidade de garantia do conforto trmico dos ocupantes.

A distribuio de gua fria e quente faz-se em caudal constante no circuito primrio e caudal varivel no circuito secundrio.

3.3. Condies de funcionamento Na sequncia da publicao da Directiva Europeia 2002/91/CE de 16 de Dezembro

relativa ao desempenho energtico dos edifcios, transcrita para a legislao Nacional pelos Decretos-Lei ns 78, 79 e 80 de Abril de 2006, foram definidos valores mximos de consumo energtico para as diferentes tipologias de utilizao, acima dos quais os edifcios no podem ser licenciados. Como atrs referido, no caso concreto dos novos edifcios de escritrios, o valor de 35 kgep/m2.ano.

Os consumos energticos para efeitos de licenciamento e atribuio da classe de eficincia tm de ser calculados em condies nominais de funcionamento que esto definidas no DL 79/2006 e convertidos para unidades de energia primria (utilizando coeficientes de converso definidos no mesmo decreto).

As restantes condies nominais de funcionamento definidas no DL 79/2006, relativas ocupao, iluminao e aos equipamentos, so as seguintes:


21

Ocupao

DL 79/2006 Ocupao (15 m2/pessoa)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

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

Fact

or d

e C

arga

[%]

Segunda a Sexta Fins de Semana

Figura 11 Perfil de carga de ocupao.

Iluminao

DL 79/2006 Iluminao (10 W/m2)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

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

Fact

or d

e C

arga

[%]


Figura 12 - Perfil de carga de iluminao.

22

Equipamentos

DL 79/2006 Equipamentos (15 W/m2)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

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

Fact

or d

e C

arga

[%]


Figura 13 - Perfil de carga de equipamentos.

A potncia referente aos ganhos de ocupao foi definida com base na AHSRAE Fundamentals. Para edifcios de escritrios as cargas provenientes por ocupante so:

75W de carga sensvel,

55W de carga latente.

Da carga sensvel, 58% do calor trocado por radiao.

Relativamente aos equipamentos, foi estipulado 15 W/m2 de acordo com o DL 79/2006. A quantidade de calor que trocada por radiao corresponde a 40% do total [6].

A potncia de iluminao estipulada para este caso de estudo foi de 10 W/m2. De acordo com os manuais do Energy Plus boa prtica utilizar 40% para a componente radiativa de lmpadas florescentes, sendo que 20% so na gama do visvel e os outros 20% na gama do infravermelho [5].


23

4. Comparao entre os programas Caso de Estudo

Com a evoluo da simulao do Caso de Estudo constatou-se que os valores calculados para as necessidades trmicas eram significativamente diferentes. No sentido de tentar encontrar a origem da diferena foi-se simplificando o modelo, com sucessivas simulaes em ambos os softwares, que se mostraram infrutferas j que o problema subsistiu.

Dada a elevada complexidade do Caso de Estudo, seria difcil fazer uma anlise detalhada da sensibilidade dos resultados de ambos os programas. Surgiu ento a necessidade de um suporte slido e de confiana para a resoluo do problema. De acordo com o n 2 do artigo 30 do Decreto-Lei 79/2006 de 4 Abril [3], a norma aplicvel acreditao de programas de simulao detalhados a ASHRAE 140-2004 [11]. Esta norma especifica modelos de teste para avaliar as capacidades tcnicas e a aplicabilidade computacional para o clculo do desempenho trmico e de sistemas de AVAC. Este documento utilizado para determinar as principais falhas e limitaes dentro das potencialidades dos programas de simulao no fazendo, no entanto, parte desta norma o teste aos algoritmos de clculo.

Dado o elevado nmero de casos de estudo presentes nesta norma, e falta de tempo para uma verificao exaustiva, foram analisados apenas alguns dos casos de estudo que melhor parecem se identificar com o Caso de Estudo, j que a anlise aos resultados das primeiras simulaes feitas ao Caso de Estudo, davam a entender que existia algum problema com a envolvente do edifcio. A escolha dos casos de estudo recaiu sobre aqueles que se focam mais no estudo da envolvente, a saber: caso 600, 610, 620, 630, 900, 910, 920 e 930 .

De seguida so apresentados os estudos efectuados aos casos anteriores:

4.1. Verificao da norma ASHRAE 140-2004 Os testes relativos ao comportamento trmico da envolvente esto divididos em dois

grupos principais. O primeiro corresponde a solues construtivas de baixa densidade, enquanto que o segundo de elevada, traduzindo assim, respectivamente, uma menor ou maior capacidade de acumulao trmica (o valor do calor especfico segue a mesma relao).

Os casos de teste foram realizados conforme especificado na norma. Na tabela que se segue esto resumidas as caractersticas da envolvente de cada caso.

24

Tabela 9 Resumo dos casos de estudo.

Envolvente Caso de Estudo Descrio

600 Dois envidraados orientados a sul.

610 Semelhante ao 600 mas com uma pala de sombreamento.

620 Um envidraado a nascente e outro a poente. Baixa densidade

630 Semelhante ao 620 mas com sombreadores horizontais e verticais.

900 Igual ao caso 600.


920 Igual ao caso 620. Alta densidade


4.1.1. Informaes comuns a todos os casos

Nesta seco so descritas todas as propriedades comuns aos casos a simular.

4.1.1.1. Propriedades dos envidraados

Na tabela que segue esto expostos todos os valores fornecidos pela norma para introduo dos vidros nos programas de simulao. Esta tabela exaustiva, e nem todos os programas requerem exactamente os mesmos dados.

Tabela 10 Propriedades dos vidros.

Propriedades Valor Unidades Tipo de envidraado Duplo - Espessura de cada vidro 3.175 mm Espessura da caixa-de-ar do vidro 13 mm ndice de refraco 1.526 - Transmissibilidade 0.86156 -

Condutibilidade trmica do vidro 1.06 W/m.K

Condutibilidade por cada vidro simples 333 W/m2.K

Combinao da radiao e da conveco para a caixa-de-ar do vidro 6.297 W/m2.K

Coeficiente de conveco exterior 21 W/m2.K

Coeficiente de conveco interior 8.29 W/m2.K

Coeficiente de transmisso trmica 3.0 W/m2.K

Emissividade na gama do infravermelho 0.9 -

Densidade 2500 kg/m3

Calor especfico 750 J/kg.K

Sombreamento Interior - -

Coeficiente de sombreamento 0.907 -

Coeficiente de ganho de calor solar (SHGC) 0.789 -


25

4.1.1.2. Ficheiro Climtico

O ficheiro climtico utilizado nas simulaes dos casos de estudo foi o disponibilizado pela ASHRAE 140. Este ficheiro contm os dados climticos de Golden, uma cidade do estado de Colorado no centro da Amrica do Norte.

Tabela 11 Resumo dos dados climticos de Colorado/Golden.

Tipo de Clima Inverno Frio com cu limpo / Veres quentes e secos

Formato do ficheiro climtico TMY

Latitude 39.8 Norte

Longitude 104.9 Oeste

Altitude 1609 m

Zona horria 7

Reflexo do solo 0.2

Velocidade do vento (mdia anual) 4.02 m/s

Temperatura do solo 10C

Temperatura ambiente mdia anual 9.71C

Temperatura ambiente mnima anual -24.39C

Temperatura ambiente mxima anual 35.00C

Velocidade do vento mxima anual 14.89 m/s

Graus dia de Aquecimento (base 18.3C) 3636.2C-dia

Graus dia de Arrefecimento (base 18.3C) 487.1C-dia

Temperatura de bolbo hmido mdia anual -1.44C

Humidade mdia anual 0.0047

Radiao horizontal 1831.82 kWh/(m2ano)

Radiao directa na normal 2353.58 kWh/(m2ano)

Radiao directa na horizontal 1339.48 kWh/(m2ano)

Radiao difusa na horizontal 492.34 kWh/(m2ano)

4.1.1.3. Infiltraes

Para as infiltraes utilizou-se uma taxa de 0.5 RPH, durante 24h/dia ao longo de todo ano.

4.1.1.4. Ganhos Internos

Os ganhos internos gerados pela iluminao, equipamentos e pessoas so de 200 W, durante 24h/dia ao longo de todo ano. Considera-se que estes so constitudos como uma carga 100% sensvel (0% latente) e as componentes radiativa e convectiva so, respectivamente, 40% e 60%.

26

4.1.1.5. Sistema de Climatizao

Para fazer a climatizao do espao sugerido na norma que sistema seja 100% eficiente quer no aquecimento quer no arrefecimento, e que tenha as seguintes propriedades:

Remoo da carga 100% por conveco, Controlo feito unicamente com sensor de temperatura, Sem remoo de carga latente, Termstato no proporcional, O termstato constitudo por dois setpoints, de aquecimento e arrefecimento

(figura seguinte).

Trmostato "Setpoint"

1517192123252729

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Ms

Tem

p. [

C]

ArrefecimentoAquecimento

Figura 14- Temperaturas de Setpoint para aquecimento e arrefecimento.

4.1.2. Construo da envolvente de baixa densidade

Nas tabelas que se seguem encontra-se em detalhe os materiais utilizados na construo da envolvente de baixa densidade.

Tabela 12 Parede Exterior de baixa densidade.

Elemento K

[W/mK]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kgK]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Plasterboard 0.160 0.012 13.333 0.075 950 840

Fiberglass quilt 0.040 0.066 0.606 1.650 12 840

Wood Siding 0.140 0.009 15.556 0.064 530 900

Ext. Surf. Coef. - - 29.3 0.034 - -

Total Air - Air 0.514 1.944

Total Air - Surf 0.559 1.789


27

A perda de calor atravs do piso trreo pode ter um efeito significativo nas necessidades de aquecimento e arrefecimento. Como no se pretende analisar a influncia do piso trreo colocou-se uma camada muito espessa de isolamento trmico para torn-lo adiabtico.

Tabela 13 Piso trreo de baixa densidade.

Elemento K

[W/m.K]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kg.K]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Timber flooring 0.140 0.025 5.600 0.179 650 1200

Insulation 0.040 1.003 0.040 25.075 - -

Total Air - Air 0.039 25.374


Tabela 14 Telhado de baixa densidade.

Elemento K

[W/m.K]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kg.K]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Plasterboard 0.160 0.010 16.000 0.063 950 840


Roofdeck 0.140 0.019 7.368 0.136 530 900

Ext. Surf. Coef. - - 29.3 0.034 - -



28

4.1.2.1. Caso 600 Construo de baixa densidade

O caso 600 o caso mais simples apresentado pela norma AHSRAE 140-2004, e ser este modelo que servira de base construo dos modelos subsequentes.

O edifcio base consiste num prisma rectangular com as seguintes dimenses, 6 m x 8 m x 2.7 m = 129.6 m3. A superfcie orientada a sul constituda por 12m2 de rea envidraada, como podemos ver na figura que se segue.

Figura 15 Caso 600 da ASHRAE 140-2004.


O caso 610 semelhante ao caso 600 mas com sombreamento a sul. Este sombreamento feito por uma pala horizontal ao longo de toda fachada com 1m de largura que se encontra 0,5 metros acima da janela. Na imagem que segue est exemplificado este caso.

Figura 16 Caso de 610 construo de baixa densidade com sombreamento a sul.


29


O caso 620 igual ao caso 600 mas sem janelas na face virada a sul mas com uma de 6m2 em ambas as faces Este e Oeste:

Figura 17 Caso de 620 construo de baixa densidade com janelas a Este e Oeste.


O caso 630 semelhante ao caso 620 mas com palas verticais e horizontais para sombrear a rea envidraada. A pala horizontal tem 1 m de largura e encontra-se 0,5 m acima da janela. A pala vertical tambm tem 1 m de largura e encontra-se logo aps o vo de envidraado.

Figura 18 Caso de 630 construo de baixa densidade com sombreamento a Este e Oeste.

4.1.3. Construo da envolvente de alta densidade

Os casos de estudo com a envolvente de elevada densidade so semelhantes aos de baixa densidade com a excepo da construo da envolvente. Nas tabelas que se seguem sero apresentadas em detalhe as solues construtivas utilizadas.

30

Tabela 15 Parede Exterior de alta densidade.

Elemento K

[W/m.K]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kg.K]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Concrete Blok 0.510 0.100 5.1 0.196 1400 1000

Foam Insulation 0.040 0.0615 0.651 1.537 10 1400

Wood Siding 0.140 0.009 15.556 0.064 530 900

Ext. Surf. Coef. - - 29.3 0.034 - -



O piso trreo novamente adiabtico.

Tabela 16 Piso de alta densidade.

Elemento K

[W/m.K]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kg.K]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Concrete Slab 1.130 0.080 14.125 0.071 1400 1000

Insulation 0.040 1.007 0.040 25.175 - -

Total Air - Air 0.039 23.366


Tabela 17 Telhado de alta densidade

Elemento K

[W/m.K]

Espessura [m]

U [W/m2K]

R [m2K/W]

Densidade [kg/m3]

Cp [J/kg.K]

Int. Surf. Coef. - - 8.290 0.121 - -

Plasterboard 0.160 0.010 16.000 0.063 950 840


Roofdeck 0.140 0.019 7.368 0.136 530 900

Ext. Surf. Coef. - - 29.3 0.034 - -




31

4.1.4. Notas sobre a modelao

Ao longo da descrio dos modelos de teste so apresentadas as variveis necessrias para o estudo dos programas de simulao. No entanto, devido ao facto destes requererem diferentes variveis de entrada, existem vrios valores ao longo da norma que no so necessrios. Ao longo desta seco sero apresentadas todas as consideraes que foram tomadas para efectuar as simulaes.

4.1.4.1. TRACE 700

Especificao dos materiais

No caso do TRACE 700, aquando da introduo dos materiais para a construo do piso trreo, recomendado pela norma a utilizao de forte isolamento e uma reduzida capacidade trmica (valor mnimo para a densidade e para o calor especfico). Os valores utilizados foram de 0.001 kg/m3 e 0.001 kJ/kg.K, respectivamente para a massa volmica e para o calor especfico.

Relativamente s propriedades do solo, o programa no solicita quaisquer valores, apenas o valor da transmisso trmica linear para o solo (perdas lineares pelo piso trreo), que no caso foi considerado como nulo.

Coeficiente de conveco exterior

A norma recomenda que se utilizem os coeficientes de conveco exterior calculados pelo programa quando este o permite. No caso do TRACE 700, o programa pode avaliar esses coeficientes de quatro modos distintos, nomeadamente:

Constante, Varivel com o vento, Varivel com o vento, direco e variao da temperatura, Varivel com o vento, direco, variao da temperatura e rugosidade.

Por motivos apresentados adiante, vai ser considerado um valor constante para o coeficiente de conveco exterior. Para este caso a norma sugere que sejam utilizados os valores apresentados na tabela seguinte. Devido a limitaes do programa, no caso de no se considerarem os algoritmos de clculo para o efeito, o coeficiente de conveco exterior nos envidraados 22.85 W/(m2K), no sendo possvel mudar para o sugerido.

Tabela 18- Coeficientes de conveco exterior.

Textura da superfcie Coef. Conveco Exterior

Tijolo e gesso cartonado 29.3 W/m2K

Vidros (Janelas) 21.0 W/m2K

32

Coeficiente de conveco interior

A norma recomenda que se utilizem os coeficientes de conveco interior calculados pelo programa quando este o permite. No entanto, o TRACE 700 no calcula o coeficiente de conveco interior hora a hora: utiliza a resistncia superficial definida na construo da envolvente opaca para o determinar (valor fixo). Nos vos envidraados utiliza 8.30 W/(m2.K).

Opes de clculo

Como j foi descrito na apresentao do TRACE 700, este permite escolher diferentes mtodos de clculo para arrefecimento e aquecimento. Neste caso optou-se pelos seguintes:

Aquecimento: CLTD-CLF (ASHRAE TFM) -Exact Transfer Function Method Arrefecimento: RTS (Heat Balance) - Radiant Time Series coefficients based on Heat

Balance.

4.1.4.2. Energy Plus

Especificao dos materiais

Os materiais utilizados nas solues construtivas das paredes, pisos e tectos foram especificados em detalhe, excepo do isolamento do piso trreo. Este material foi definido apenas com um valor de resistncia trmica.

Coeficiente de conveco exterior e interior

O Energy Plus calcula automaticamente os coeficientes de conveco exterior e interior.

Opes de clculo

Os critrios de convergncia foram os seguintes:

Convergncia das Cargas=0.0040 Convergncia das Temperaturas=0.040 Neste programa pode-se definir o nmero de vezes por hora que o programa faz os

clculos. Neste campo (Time steps) foram definidos quatro clculos por hora.


33

4.2. Anlise aos casos de estudos da ASHRAE 140-2004 Os resultados apresentados em seguida foram resultado de sucessivas iteraes,

especialmente no caso do TRACE 700, pois os resultados a que se chegou com este programa no correspondiam ao intervalo de valores esperados, apresentando um erro semelhante ao encontrado no caso de estudo deste relatrio. Era espectvel que a soluo devolvida fosse da mesma ordem de grandeza dos restantes programas exibidos na norma [11].

Numa fase inicial foi verificado por mais do que uma vez se todas as variveis teriam sido introduzidas correctamente, e conclui-se que estava tudo como a norma recomendava. Visto que no foi encontrado qualquer problema, foi necessrio comparar, ponto a ponto, os resultados horrios das cargas trmicas devolvidos pelo TRACE 700 com os do Energy Plus.

Neste sentido foram verificadas todas as contribuies para a carga trmica do espao, nomeadamente, ganhos internos, conduo pelos envidraados, conduo pela envolvente opaca, infiltraes, valores dos coeficientes de transmisso trmica, ganhos solares atravs dos envidraados, entre outras. Ao fim desta verificao constatou-se que a maior diferena residia na carga proveniente da envolvente. Ento estudou-se ainda mais em detalhe tudo o que estava relacionado com a envolvente.

Numa fase inicial procedeu-se a uma verificao dos dados climticos em ambos os programas, visto que apesar do ficheiro climtico de base ser o mesmo, os programas tm subrotinas para transformar os ficheiros destas bases para os seus formatos, pelo que poderia existir algum problema associado a este processo. Posteriormente, estudou-se o efeito da utilizao das subrotinas de clculo da conveco exterior face ao valor fixo estipulado pela norma [11]. Por fim analisou-se o efeito da utilizao das subrotinas de clculo do coeficiente de conveco exterior nas necessidades trmicas do caso 600.

4.2.1. Anlise do ficheiro climtico

Nesta seco pretende-se comparar o ficheiro climtico utilizado nas simulaes dos casos de estudo da norma ASHRAE 140-2004. O ficheiro fornecido pela norma est num formato (TMY) que no reconhecido pelos programas, pelo que necessita de ser convertido para os respectivos formatos de cada programa, EPW e IWC, respectivamente, para o Energy Plus e TRACE 700. Para confirmar se o processo de alterao dos formatos no teve implicaes nos resultados das variveis climticas vo-se fazer algumas comparaes ao longo desta seco.

Na sequncia de uma anlise aos valores contidos nos ficheiros climticos de ambos os programas verifica-se que a temperatura aproximadamente similar ao longo de todo o ano. Fazendo uma anlise aos graus dias para uma base de 18.3 C verifica-se que no existe diferena10. Com uma anlise atenta verifica-se que a amplitude mxima na diferena de temperatura de 10 C, esta ocorre no dia 16 de Outubro s 18h. Como se pode ver no grfico seguinte, a evoluo da temperatura ao longo do dia segue aproximadamente o mesmo andamento nos dois casos, no entanto existe um desfasamento de cerca de uma hora. No anexo 1 , encontra-se um grfico representativo da diferena de temperaturas ao longo de todo o ano.

10 - Base de 18.3 C Foi utilizada esta base para calcular os graus dia, porque foi a utilizada pela ASHRAE.

34

Temperatura 16-Out

05

1015202530

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Hora

[C] Energy Plus

TRACE

Figura 19- Temperaturas horria dos ficheiros climticos de Colorado/Golden no dia da diferena

mxima (16 de Out.).

Relativamente temperatura mxima, esta ocorre no dia 26 de Julho s 15h em ambos os climas com o valor de 35 C. As temperaturas mnimas so de -23.9 C e -24.4C respectivamente no TRACE 700 e Energy Plus este valor registado a 4 de Janeiro em ambos os casos. Na tabela 19 encontra-se um resumo da anlise s temperaturas dos ficheiros climticos:

Tabela 19 Temperaturas extremas de Colorado/Golden .

Temperatura Exterior

TRACE Energy Plus

Mximo 35.0 35.0

Mnimo -23.9 -24.4

Mdia 9.7 9.7

Graus dia Arrefecimento 490 490

Graus dia Aquecimento 3626 3627

Outro aspecto muito importante variao da radiao solar ao longo de todo ano. Duma verificao horria verifica-se que existem variaes significativas no que respeita radiao directa horria, esta chega a atingir aproximadamente 400 W/m2 de diferena (ver anexo 2), no entanto a radiao directa mensal aproximadamente igual nos dois casos.


35

Radiao Solar Directa

0

50000

100000

150000

200000

250000


Ms

W/(m

2 .ms

)

Energy PlusTRACE 700

Figura 20- Diferena da radiao directa mensal dos ficheiros climticos de Colorado/Golden.

No que respeita radiao difusa, esta apresenta uma diferena mxima ao longo de uma hora de aproximadamente de 100 W/m2 (ver anexo 3). Na figura 21 pode-se ver as diferenas mensais existentes.

Radiao Solar Difusa

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000


Ms

W/(m

2 .m

s)


Figura 21- Diferena da radiao difusa mensal dos ficheiros climticos de Colorado/Golden.

36

Analisando a diferena da intensidade da velocidade do vento horria entre os valores utilizados na TRACE 700 e Energy Plus, verifica-se que esta chega a atingir 7m/s (ver anexo 4), no entanto quando se compara a velocidade mdia mensal verifica-se que esta exactamente igual.

Tabela 20 Velocidade mdia mensal do vento.

Velocidade Mdia Mensal

[m/s]

Ms TRACE 700 Energy Plus Jan 4.7 4.7 Fev 4.3 4.3 Mar 4.0 4.0 Abr 4.5 4.5 Mai 4.0 4.1 Jun 4.9 4.9 Jul 4.0 4.0 Ago 3.4 3.4 Set 3.4 3.4 Out 3.6 3.7 Nov 3.5 3.5 Dez 3.6 3.6

Desta anlise pode-se concluir que as variveis em estudo tm aproximadamente o mesmo valor em ambos os ficheiros. Na anlise horria verificam-se variaes significativas (anexo 4) que podem provocar cargas trmicas diferentes hora a hora, pois as trocas de calor atravs da envolvente so influenciadas pela temperatura da parede e por sua vez esta funo da velocidade do vento, temperatura do meio ambiente, radiao incidente, entre outras variveis.

4.2.2. Anlise dos Coeficientes de conveco

Na sequncia da anlise do ficheiro climtico e dos estudos feitos aos fluxos de calor existente na envolvente do caso simulado no TRACE 700, surgiu a suspeita que a diferena encontrada no clculo das cargas trmicas entre os dois programas poderia estar relacionada com o clculo dos coeficientes de conveco exterior.

Como se pode ver na figura 22, o TRACE 700 permite escolher quatro formas distintas para o clculo dos coeficientes de conveco exterior, nomeadamente:

Constante, Varivel com a velocidade do vento, Varivel com velocidade e direco do vento e ainda com diferena de temperaturas

sentida entre a superfcie e o ar,

Varivel com velocidade e direco do vento, com diferena de temperaturas sentida entre a superfcie e o ar, e com a rugosidade da superfcie.


37

Figura 22- Mtodos de clculo do coeficiente de conveco exterior.

Relativamente ao coeficiente de conveco interior o programa utiliza um valor constante, ou seja utiliza o coeficiente de resistncia superficial interior para a sua determinao. O TRACE 700 no tem um processo de clculo automtico como no caso do coeficiente de conveco exterior.

Nos estudos que foram feitos, mencionados ao longo deste relatrio, para o clculo dos coeficientes de conveco exterior foi utilizada a terceira opo apresentada anteriormente. Esta opo foi tomada ao abrigo da norma ASHRAE 140-2004, pois esta diz que no caso de o programa possibilitar o clculo dos coeficientes de conveco automaticamente, deve ser utilizada essa potencialidade (seco 5.2.1.9. da norma ASHRAE 140-2004).

No sentido de tentar perceber a influncia no clculo das cargas trmicas testou-se cada uma das opes para o clculo dos coeficientes de conveco apresentadas atrs. O modelo para teste utilizado foi o 600 da norma mas sem os envidraados sul.

Os resultados obtidos com estas simulaes so os que seguem:

38

Necessidades de Arrefecimento

0100200300400500600700800900

1000

Constante Var. Vento

Var. Vento,Direco,

DeltaT

Var. Vento,Direco,DeltaT,

Rugosidade

Referncia (Detalhado)

TRACE 700 Energy Plus

kWh

Figura 23 - Comparao dos mtodos de clculo dos coeficientes de conveco exterior.

Necessidades de Aquecimento

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Constante Var. Vento

Var. Vento,Direco,

DeltaT

Var. Vento,Direco,DeltaT,

Rugosidade

Referncia (Detalhado)

TRACE 700 Energy Plus

kWh

Figura 24- Comparao dos mtodos de clculo dos coeficientes de conveco exterior.


39

Analisando os grficos apresentados anteriormente verifica-se que existe um desfasamento para os diversos mtodos de clculo com o TRACE 700 e o valor de referncia do Energy Plus.

O mtodo de clculo que estava a ser utilizado o que apresenta a maior diferena quando comparado com o Energy Plus. Relativamente aos dois primeiros mtodos, o constante e o varivel com o vento, estes so os que se aproximam mais do valor de referncia. As necessidades trmicas de aquecimento apresentam uma variao reduzida (no mximo 11%).

4.3. Resultados dos casos de estudos da ASHRAE 140-2004 Os resultados apresentados em seguida foram obtidos de sucessivas iteraes,

especialmente no caso do TRACE 700, pois os primeiros valores a que se chegou com este programa eram muito superiores aos esperados. Aps alguns estudos verificou-se que a diferena excessiva era causada no clculo automtico dos coeficientes de conveco exterior (ver 4.2.2.). Para reduzir esta diferena foi utilizado um valor constante para os coeficientes de conveco. Desta simulao obtiveram-se os resultados que se podem ver nos grficos e tabelas que se seguem. Da sua anlise pode-se concluir que os resultados relativamente ao aquecimento esto dentro do intervalo dos outros programas, o que no acontece para os primeiros trs casos das necessidades de arrefecimento. De um modo geral o TRACE 700 apresenta cargas de arrefecimento superiores generalidade dos programas de simulao. No arrefecimento o resultado que mais se aproxima dos restantes programas o caso 630.

No caso do Energy Plus, a maioria dos resultados deram na ordem de grandeza que era esperado, ou seja, perto da mdia dos resultados dos outros programas. Para este programa, os resultados mais afastados da mdia para este programa ocorre no caso 630 e nos casos de elevada massa, nas cargas de aquecimento.

Cargas de Aquecimento Baixa Densidade

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

600 610 620 630

Casos

MW

h

ESP

BLAST

DOE2

SRES/SUN

SERIRES

S3PAS

TRNSYS

TASE

EnPlus

TRACE

Figura 25- Cargas de Aquecimento para os casos de baixa densidade.

40

Cargas de ArrefecimentoBaixa densidade

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

600 610 620 630

Casos

MW

h

ESP

BLAST

DOE2

SRES/SUN

SERIRES

S3PAS

TRNSYS

TASE

EnPlus

TRACE

Figura 26- Cargas de arrefecimento para os casos de baixa densidade.

Cargas de Aquecimento Alta Densidade

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

900 910 920 930

Casos

MW

h

ESPBLASTDOE2SRES/SUNSERIRESS3PASTRNSYSTASEEnPlusTRACE

Figura 27- Cargas de Aquecimento para os casos de baixa densidade.


41

Cargas de ArrefecimentoAlta densidade

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

900 910 920 930

Casos

MW

h

ESPBLASTDOE2SRES/SUNSERIRESS3PASTRNSYSTASEEnPlusTRACE

Figura 28- Cargas de arrefecimento para os casos de baixa densidade.

Nas tabelas que se seguem encontram-se resumidos os resultados de cada programa em comparao com os mximos e mnimos gerados pelos programas descritos na norma. Foi feita uma mdia aritmtica aos resultados dos programas dados pela norma, que servir para analisar a diferena corresponde ao desfasamento existente nos valores devolvidos pelos programas em estudo. Para perceber de uma forma mais instantnea se os resultados do TRACE 700 e do Energy Plus se encontram dentro do intervalo formado pelo mximo e mnimo dos programas apresentados na norma, inseriu-se uma linha na tabela com a indicao Sim e No.

42

Tabela 21- Enquadramento das cargas trmicas do TRACE 700 face norma ASHRAE 140-2004.

TRACE 700 Casos: Baixa densidade 600 610 620 630 Aquecimento Anual (MWh) Mnimo 4.296 4.355 4.613 5.050 Mximo 5.709 5.786 5.944 6.469 Mdia 5.090 5.146 5.407 5.783 TRACE 700 4.845 4.985 5.443 6.087 Diferena % -4.8% -3.1% 0.7% 5.3% TRACE 700 dentro do intervalo Sim Sim Sim Sim Arrefecimento Anual (MWh) Mnimo 6.137 3.915 3.417 2.129 Mximo 7.964 5.778 5.004 3.701 Mdia 6.832 4.964 4.218 2.832 TRACE 700 8.088 6.352 5.450 3.161 Diferena % 18.4% 28.0% 29.2% 11.6% TRACE 700 dentro do intervalo No No No Sim Casos: Alta Densidade 900 910 920 930 Aquecimento Anual (MWh) Mnimo 1.170 1.575 3.313 4.143 Mximo 2.041 2.282 4.300 5.335 Mdia 1.745 2.066 3.973 4.745 TRACE 700 1.437 1.595 3.750 4.945 Diferena % -17.7% -22.8% -5.6% 4.2% TRACE 700 dentro do intervalo Sim Sim Sim Sim Arrefecimento Anual (MWh) Mnimo 2.132 0.821 1.840 1.039 Mximo 3.415 1.872 3.092 2.238 Mdia 2.678 1.447 2.552 1.644 TRACE 700 3.602 2.160 3.492 1.890 Diferena % 34.5% 49.2% 36.8% 15.0% TRACE 700 dentro do intervalo No No No Sim


43

Tabela 22- Enquadramento das cargas trmicas do Energy Plus face norma ASHRAE 140-2004.

Energy Plus Casos: Baixa densidade 600 610 620 630 Aquecimento Anual (MWh) Mnimo 4.296 4.355 4.613 5.050 Mximo 5.709 5.786 5.944 6.469 Mdia 5.090 5.146 5.407 5.783 Energy Plus 4.497 4.529 4.650 4.949 Diferena % -11.6% -12.0% -14.0% -14.4% Energy Plus dentro do intervalo Sim Sim Sim No Arrefecimento Anual (MWh) Mnimo 6.137 3.915 3.417 2.129 Mximo 7.964 5.778 5.004 3.701 Mdia 6.832 4.964 4.218 2.832 Energy Plus 6.919 4.901 4.352 2.933 Diferena % 1.3% -1.3% 3.2% 3.6% Energy Plus dentro do intervalo Sim Sim Sim Sim Casos: Alta Densidade 900 910 920 930 Aquecimento Anual (MWh) Mnimo 1.170 1.575 3.313 4.143 Mximo 2.041 2.282 4.300 5.335 Mdia 1.745 2.066 3.973 4.745 Energy Plus 1.244 1.518 2.920 3.500 Diferena % -28.7% -26.5% -26.5% -26.2% Energy Plus dentro do intervalo Sim No No No Arrefecimento Anual (MWh) Mnimo 2.132 0.821 1.840 1.039 Mximo 3.415 1.872 3.092 2.238 Mdia 2.678 1.447 2.552 1.644 Energy Plus 2.580 1.280 2.777 1.836 Diferena % -3.7% -11.6% 8.8% 11.7% Energy Plus dentro do intervalo Sim Sim Sim Sim


45

5. Resultados

Nesta seco sero apresentados os resultados do caso de estudo deste relatrio que foi descrito ao longo do captulo 3. Tal como j foi mencionado atrs os resultados foram obtidos duma forma iterativa, pois estes numa fase inicial eram muito diferentes do que seria de esperar. Depois da primeira soluo, face elevada discrepncia desses resultados foi necessrio recorrer norma ASHRAE 140-2004 para determinar as potenciais falhas existentes nas simulaes em ambos os programas de simulao. Desta morosa anlise surgiram algumas concluses que poderiam justificar as diferenas encontrados numa fase inicial entre o programa TRACE 700 e o Energy Plus, nomeadamente ao nvel dos algoritmos de clculo utilizados para determinar o coeficiente de conveco na envolvente exterior, e ainda a maneira como trata a quantidade de calor transmitida por radiao dos equipamentos, iluminao e pessoas.

Numa fase final simulou-se de novo o edifcio e foi-se verificar se as diferenas existentes estavam ligadas com as concluses tiradas aquando das verificaes feitas aos modelos propostos pela ASHRAE 140-2004. Nas seces que se seguem vo ser apresentadas algumas anlises complementares que podero justiar as diferenas encontradas nos resultados finais.

Dada a limitao do TRACE 700 para colocar mais do que um tipo de janela por fachada, as simulaes apresentados no contm a janela de luz natural.

Ento nas seces que se seguem vo ser efectuados trs estudos distintos. No primeiro vai-se comparar os ficheiros climticos do Porto dos dois softwares, pois como j foi explicado atrs ambos os softwares tm um algoritmo de transformao dos ficheiros climticos de uma base normalizada para a sua base, o que pode provocar algumas diferenas dos dados do clima, e por sua vez nas necessidades energticas finais. Com o segundo estudo pretende-se analisar a influncia da envolvente no erro final, pois aquando dos estudos feitos aos modelos de teste da ASHRAE verificou-se que os algoritmos de clculo utilizados para determinar os coeficientes de conveco tinham uma influncia bastante significativa na conduo de calor pela envolvente. O terceiro, consiste num estudo da interferncia da quantidade de calor trocada por radiao proveniente dos equipamentos, iluminao e pessoas.

Por fim sero apresentados os resultados finais.

46

5.1. Comparao dos ficheiros climticos do Porto

Nesta seco vo ser apresentadas as diferenas entre os dados climticos do Porto utilizados para simular o caso de estudo deste relatrio no Energy Plus e no TRACE 700.

Estes programas de simulao contm algoritmos internos para converter os ficheiros climticos normalizados nas as suas bases, ou seja, EPW e IWC respectivamente para o Energy Plus e TRACE 700. Para confirmar se o processo de alterao dos formatos no teve implicaes nos resultados das variveis climticas vo-se apresentar alguns resultados das comparaes ao longo desta seco.

Na sequncia de uma anlise aos valores contidos nos ficheiros climticos de ambos os softwares verifica-se que a temperatura aproximadamente similar ao longo de todo o ano. Fazendo uma anlise aos graus dias para uma base de 20 C verifica-se que no existem diferenas significativas. A amplitude mxima na diferena de temperatura de 2.6 C, esta ocorre no dia 11 de Novembro s 10h como se pode ver no grfico que seguinte. Para ter uma ideia como varia a diferena de temperatura entre os dois ficheiros climticos ao longo de todo ano pode ser consultado o anexo 5.

Difererena de TemperaturaDia de Amplitude Mxima

-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0

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

T

Figura 29- Diferena de temperaturas horria dos ficheiros climticos no dia de diferena mxima

(11de Nov.).

Na tabela que segue encontra-se um resumo das temperaturas mximas e mnimas, bem como os graus dia de aquecimento e arrefecimento calculados para uma base de 20C. Relativamente temperatura mxima, esta ocorre no dia seis de Julho em ambos os climas com uma diferena de temperaturas de 0,9 C.

A temperatura mnima de 0C nos dois casos, este valor registado a 25 de Janeiro em ambos os casos. No anexo 9, esto presentes algumas tabelas de comparao de vrios dados climticos.


47

Tabela 23 Resumo das Temperaturas extremas nos ficheiros climticos do Porto.

Temperatura Exterior

TRACE Energy Plus

Mximo 32.2 31.3 Mnimo 0.0 0.0 Mdia 14.3 14.3 Graus dia Arrefecimento 121 118 Graus dia Aquecimento 2195 2193

Outro aspecto importante variao da radiao solar ao longo de todo ano. Duma verificao horria nota-se que existem variaes significativas no que respeita radiao directa horria, esta chega a atingir aproximadamente 130 W/m2 de diferena (ver anexo 6), no entanto a radiao directa mensal aproximadamente igual nos dois casos.

Radiao Directa

- 20 40 60 80

100 120 140 160 180 200


Ms

kW/(m

2 .ms

)


Figura 30- Diferena da radiao directa mensal dos ficheiros climticos do Porto.

No que respeita radiao difusa, esta apresenta uma diferena mxima ao longo de uma hora de aproximadamente de 60 W/m2 (ver anexo 7). No grfico que se segue esta representada a radiao difusa mensal.

48

Radiao Difusa

-

10

20

30

40

50

60

70

80


Ms

kW/(m

2 .ms

)


Figura 31- Diferena da radiao difusa mensal dos ficheiros climticos do Porto.

Analisando a diferena da intensidade da velocidade do vento horria entre os valores utilizados na TRACE 700 e Energy Plus, verifica-se que esta chega a atingir 3m/s (ver anexo 8), no entanto quando se compara a velocidade mdia mensal verifica-se que esta exactamente igual, excepo do ms de Janeiro.

Tabela 24 Velocidade mdia mensal do Porto.

Velocidade Mdia Mensal [m/s]

Ms TRACE 700 Energy Plus Jan 2.9 2.8

Fev 4.0 4.0

Mar 3.9 3.9

Abr 3.3 3.3

Mai 4.1 4.1

Jun 1.6 1.6

Jul 3.2 3.2

Ago 2.2 2.2

Set 1.9 1.9

Out 3.7 3.7

Nov 3.1 3.1

Dez 1.9 1.9


49

Desta anlise podemos concluir que as variveis em estudo tm aproximadamente o mesmo valor de velocidade mdia mensal em ambos os ficheiros. As variaes de velocidade horria (anexo 8 e 9) podem provocar cargas trmicas diferentes hora a hora, pois as trocas de calor atravs da envolvente so influenciadas pela temperatura da parede e por sua vez esta funo da velocidade do vento, temperatura do meio ambiente, radiao incidente, entre outras variveis.

No anexo 9, encontram-se tabelas de resumo dos dados climticos. Da sua anlise verifica-se que a variao horria mais significativa diz respeito velocidade, esta varivel chega a atingir 23% de diferena, o que pode ter influncia no comportamento da envolvente.

5.2. Contribuio da envolvente para o erro final De acordo com as anlises feitas aos casos de estudo da ASHRAE 140-2004, conclui-se

que os algoritmos de clculo dos coeficientes de conveco exterior tm um impacto significativo no clculo das necessidades trmicas anuais. Ento, como a quantidade de calor trocada pela envolvente dependente dos coeficientes de conveco superficial, de seguida sero apresentados os resultados das necessidades trmicas finais provenientes unicamente da envolvente.

Necessidades de Arrefecimento S envolvente

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000


Ms

kWh Energy Plus

TRACE 700

Figura 32 Necessidades trmicas de arrefecimento provenientes da envolvente.

50

Necessidades de Aquecimento S envolvente

-20000-18000-16000-14000-12000-10000-8000-6000-4000-2000

0Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Ms

kWh Energy Plus

TRACE 700

Figura 33 - Necessidades trmicas de aquecimento provenientes da envolvente.

Analisando o estudo feito troca de calor com o meio ambiente pela envolvente do edifcio, constata-se que existe um erro sistemtico nas necessidades de aquecimento. Nas necessidades de arrefecimento, perodo de vero, existe um claro desfasamento entre os resultados de ambos os softwares. No caso do TRACE 700 os resultados no seguem a tendncia que seria de esperar. Era espectvel que o valor mximo de carga trmica pela envolvente fosse no ms de Julho tal como no caso do Energy Plus.

Para perceber o que se estava a passar recorreu-se a uma anlise horria. Esta anlise foi limitada hora de carga trmica mxima dada pelo TRACE 700. Seria de elevado interesse fazer uma verificao mais extensa, mas o TRACE 700 no permite ver hora a hora o comportamento da envolvente, apenas disponibiliza esses dados para a hora de carga trmica mxima. Desta verificao resultou que o Energy Plus esta a perder calor pela envolvente enquanto que o TRACE 700 esta a ganhar.

O esquema que segue representativo do que est a acontecer na hora de carga trmica mxima do Open Space 110 .


51

Figura 34 Comparao do comportamento da envolvente no dia 23 de Julho s 18h.

Aps esta anlise seria interessante comparar os coeficientes de conveco hora a hora calculados em ambos os softwares, mas por limitaes nos Outputs do TRACE 700 no foi faze-lo. No entanto, j foi verificado atrs que os algoritmos de clculo destes coeficientes do origem a necessidades trmicas diferentes. Apesar de no se conhecer em detalhe o que ocorre, possvel concluir que os softwares tratam a envolvente de maneira diferente.

5.3. Anlise do calor trocado por radiao Na sequncia da anlise de resultados aquando da introduo do edifcio, verificou-se que

os programas reagiam de forma diferente introduo de equipamentos elctricos, para tentar perceber o que se estava a passar fizeram-se estudos dedicados a este acontecimento.

No sentido a tentar explicar estas diferenas de uma forma sucinta e objectiva reduziu-se o edifcio ao Open Space 110 e admitiram-se algumas simplificaes, nomeadamente:

Controlo de Temperatura: Deadband entre 20 e 25C. Piso trreo adiabtico, Sistema activo 24h/dia, Potncia de equipamentos 15 W/m2 durante 24h/dia. Para analisar o impacto de cada varivel, a construo do edifcio foi feita de uma forma

sequencial nos dois softwares. Numa primeira fase introduziu-se toda e envolvente e constatou-se que os consumos inerentes eram similares nos dois softwares com um ligeiro desfasamento como era de esperar, face ao estudo de verificao dos casos da ASHRAE 140-2004.

Aquando da introduo dos equipamentos verificaram-se algumas diferenas na maneira como os softwares tratam a carga proveniente destes. Numa fase inicial as simulaes foram feitas com as seguintes consideraes para a carga proveniente apenas dos equipamentos:

100% de carga sensvel com 100% por conveco e 0% por radiao,

52

Os resultados desta simulao deram algo que no se estava espera, pois as necessidades trmicas calculadas pelo Energy Plus foram superiores s do TRACE 700, o que contraria a tendncia verificada at aqui.

Necessidades de Arrefecimento 0% de Radiao

0500

10001500200025003000350040004500


Ms

kWh Energy Plus

TRACE 700

Figura 35 Necessidades de arrefecimento 0 % de componente radiativa dos equipamentos.

Na sequncia destes resultados foram feitas mais duas simulaes. Estas simulaes foram semelhantes anterior mas alterando a percentagem de calor que trocada por radiao, respectivamente 50% e 100%.

Necessidades de Arrefecimento 50% Radiao

0500

10001500200025003000350040004500


Ms

kWh Energy Plus

TRACE 700

Figura 36 Necessidades de arrefecimento - 50% de componente radiativa dos equipamentos.


53

Necessidades de Arrefecimento 100% Radiaco

0500

10001500200025003000350040004500


Ms

kWh Energy Plus

TRACE 700

Figura 37 Necessidades de arrefecimento - 100% de componente radiativa dos equipamentos.

Da anlise dos grficos anteriores conclui-se que o TRACE 700 no reage s alteraes da quantidade de calor trocada por radiao. Esta aproximao do TRACE 700, de fixar a quantidade de calor que trocada por radiao com os equipamentos, pode justificar algumas diferenas que existam nos resultados finais entre os dois programas.

No Energy Plus o aumento da radiao provoca uma diminuio das necessidades de arrefecimento, como se verifica na tabela seguinte:

Tabela 25 Comparao das necessidades trmicas com a conduo pela envolvente.

Perdas de Calor Envolvente Nec. Trmica Aquecimento

Nec. Trmica Arrefecimento

kWh/ano kWh/ano kWh/ano 0% Rad 6.855 0.0 23068

50% Rad 8.065 18.7 18418 100% Rad 9.210 158.1 14349

O aumento da percentagem de radiao, tem como consequncia um aumento das temperaturas da sua envolvente, que por sua vez se reflecte na quantidade de calor trocado com o meio ambiente. Esta questo especialmente importante em edifcios de servios, em que as necessidades de arrefecimento so preponderantes. Outro aspecto muito importante o facto de se conseguir uma diminuio de 22% nas necessidades de arrefecimento anuais, custa de um aumento de 12% na quantidade de calor trocada para o meio ambiente. De acordo com estes resultados pode-se ainda acrescentar que a optimizao da envolvente, no sentido do aumento da conduo, mais interessante medida que seja maior a percentagem radiativa dos ganhos internos, de que podem resultar poupanas energticas significativas.

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5.4. Resultados finais Nesta seco sero apresentados os resultados referentes ao caso de estudo descrito na

seco 3 .

Numa primeira anlise, estudaram-se as necessidades trmicas de arrefecimento e aquecimento do espao sem considerar a insuflao de ar exterior.

Necessidades de ArrefecimentoS/ Ar exterior

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000


Ms

kWh E+

Trace

Figura 38 Comparao das Nec. de arrefecimento para o modelo sem ar exterior.

-2000-1800-1600-1400-1200-1000

-800-600-400-200

0Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

kWh

Ms

Necessidades de AquecimentoS/ Ar exterior

E+

Trace

Figura 39 - Comparao das Necessidades de Aquecimento para o modelo sem ar exterior.

E+ =165 MWh/ano

T700=206 MWh/ano

E+ =-1.2 MWh/ano

T700=-2.4 MWh/ano


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Analisando os grficos conclui-se que as necessidades de arrefecimento do TRACE 700 so sempre superiores s do Energy Plus (22%). A diferena mais acentuada ocorre no perodo de Vero. Cruzando os dados obtidos anteriormente para a carga trmica da envolvente (seco 4.2), possvel concluir que e

trace 700

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