Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de Edifícios NZEB
Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Miguel Cavique
Índice da apresentação
1- Os edifícios NZEB
2- Introdução ao Projecto e o AVAC;
3- O edifício modelado;
4- Os parâmetros usados na decomposição;
5- Análise paramétrica dos consumos de AVAC;
6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC;
7- Uma possibilidade de NZEB
8- Conclusões.
2Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014 Miguel Cavique
1- Edifícios NZEB
NZEB: Foco na energia despendida. Não considera a energia contida no edifício.
- N de net zero: equilíbrio entre a energia consumida e a produzida;
-Em muitos edifícios, cerca de 50% da energia vem da rede, pelo -Em muitos edifícios, cerca de 50% da energia vem da rede, pelo que os NZEB não são isentos de emissões de carbono;
- Pode avaliar-se o contributo das renováveis da rede eléctrica;
- Net zero pode ainda considerar as perdas da rede;
- N de net zero em custo: equilíbrio entre os custos da energia consumida e a produzida;
- N de nearly zero: Uma tentativa de aproximação…
3Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014 Miguel Cavique
2- Introdução ao Projecto
- Projecto: A relação entre os requisitos funcionais (RF) e os parâmetros de projecto (PP);
- Feito num processo de decomposição.
Decisão de ProjectoProjecto
4Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Vector
{Y}
“o que se
pretende
obter?”
Vector
{X}
“como sepretende
obter?”
Domínio RF Domínio PP
Requisitos
ProjectoFuncionaisParâmetros
Realidade
idealizada
Realidade
física
DomínioFuncional
DomínioFísico
- O que se pretende alcançar?
Um edifício de serviços NZEB
2- O que se pretende alcançar?
-Edifício residencial – carga externa
é a mais significativa;
5Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
-Edifício de serviços – carga interna
é a mais significativa.
Avaliar quais os principais parâmetros
que contribuem para o consumo de
energia: inércia, isolamento,
envidraçados, sistema de iluminação,
sistema AVAC, etc.
3- O edifício modelado
Edifício localizado em Lisboa;
2.248 m2 distribuído por 3 pisos;
Teve certificação energética em 2012;
Levantados os vários equipamentos e perfis de consumo;
Medidos os consumos de globais e os
6Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Medidos os consumos de globais e os de AVAC;
Certificado na classe D;
Cargas sem ar novo:
Arrefecimento: 136 kW; 65 W/m2
Aquecimento: 50 kW; 22 W/m2
3- O edifício modelado
Características de ocupação:
15 m2 por pessoa – 147 pessoas;
30 m3/h de ar novo por pessoa
13 W/m2 para iluminação para 500 lux;
19 W/m2 de equipamento de
7Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Valores em
kWh/ano Iluminação
Equip.
escritório
Equip.
hospitar
Total
Equip. AVAC
Outros
(elev.
ilum.
exterior) Total
Base facturas 571.000
Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183
19 W/m2 de equipamento de escritórios, com um total de 48 W/m2 de equipamento de escritório e hospitalar.
4- Parâmetros usados na decomposição
- Arquitectura e uso do edifício:
- Inércia;
- Envolvente;
- Cargas internas;
- Sistemas energéticos (AVAC);
- Produção local de energia.
8Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Iremos abordar:
- Redução das cargas internas;
- Melhorias no AVAC;
- Produção fotovoltaica.
RF 0.3:
Reduzir o
consumo de
energia no
edifício
PP 0.3:
Edifício
com
sistemas
adequados
RF 1.3:
Reduzir a
carga interna
PP 1.3:
Baixas
RF 1.2:
Ajustar
características
da envolvente
do edifício
PP 1.2:
Envolvente
RF 1.1:
Adequar a
inércia do
edifício
PP 1.1:
Inércia do
RF 1.4:
Reduzir o
consumo de
energia dos
sistemas
PP 1.4:
Eficiência
dos
RF 1.5:
Produzir
energia
localmente de
modo
eficiente
PP 1.5:
Sistemas
locais de
9Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Baixas
cargas
internas
Envolvente
do edifício
Inércia do
edifício
dos
sistemas
energéticos
locais de
produção
de energia
RF 2.6:
Reduzir o
consumo do
sistema de
iluminação
PP 2.6:
Eficiência
do sistema
de
iluminação
RF 2.5:
Reduzir a
carga dos
equipamentos
PP 2.5:
Eficiência
dos
equipamen
tos
interiores
RF 2.4:
Reduzir a
ocupação
PP 2.4:
Número de
pessoas
RF 2.3:
Adequar os
ganhos solares
PP 2.3:
Fracção
solar dos
envidraçad
os
RF 2.2:
Adequar as
trocas pela
envolvente
opaca
PP 2.2:
Coeficiente
transmissã
o de calor
RF 2.1:
Definir a
massa do
edifício
PP 2.1:
Massa por
unidade de
superfície
RF 2.7:
Reduzir a
carga de ar
novo
PP 2.7:
Caudal de
ar novo
RF 2.8:
Reduzir
consumo do
sistema de
potência
PP 2.8:
Eficiência
do sistema
de potência
RF 2.9:
Reduzir
consumo no
sistema de
AQS
PP 2.9:
Eficiência
do sistema
de AQS
RF 2.10:
Reduzir
consumo do
sistema
AVAC
PP 2.10:
Eficiência
do sistema
de AVAC
RF 2.11:
Aproveitar
recursos
renováveis
PP 2.11:
Sistemas
renováveis
RF 2.12:
Geração
combinada de
energia
PP 2.12:
Cogeração
RF 2.13:
Gerar energia
por outros
sistemas
PP 2.13:
Outros
sistemas
4- Parâmetros de AVAC
Onde podemos poupar energia?
- Redes;
- Chillers;
- UTAs;
-VCs ...
10Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
-VCs ...
Onde mais?
Avaliar o processo de decomposição.
4- Parâmetros de AVAC
11
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
O sistema modelado:
Bomba calorCh+rec
Salar
+ -
12Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
+ -
VentiloconvectoresUTAN – recuperador estático
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
- Ventilação controlada (DCV);
- Caudal de água variável (VWF);
- Eficiência do motor (EFF);
- Recuperador calor na UTA
-Tipo de controlo do caudal de água (WFCT);
- Temperatura de evaporação (EVT);
- Eficiência do chiller (EER);
Parâmetros avaliados em dois níveis (0, 1)
- Recuperador calor na UTA (AHEX);
- Perda de carga reduzida na rede de ar (DPRA);
- Perda de carga reduzida na rede de água (DPRW);
- Tipo de controlo do caudal de ar (AFCT);
13Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Eficiência do chiller (EER);
- Recuperação parcial no chiller(CHR);
- Diferença de temperatura no circuito de água(WDT);
- Velocidade variável no ventiloconvector (FCVS).
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
-DCV, ou ventilação controlada(DCV):
0- caudal constante; 1- caudal variável
12
Ventilador e rede
12
Controlo de caudal- E α Q3 (?)
14Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20 25 30
Pre
ssu
re
Flow
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20 25 30
Pre
ssu
re
Flow
-Controlo do caudal de ar (AFCT):
-0:Por pressão (manter a pressão num ponto da rede);
-1:Por estimativa da pressão necessária
Controlo por pressão- E α Q Pressão estimada- E α Q2
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
15Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
Pre
ssu
re
Flow
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30
Pre
ssu
re
Flow
-Caudal de água variável (VWF) no circuito secundário:
0:Constante; 1: Caudal variável
- Aplicam-se as mesma considerações sobre o consumo de energia relativas ao tipo de controlo do caudal
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
16Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
de energia relativas ao tipo de controlo do caudal (WFCT):
0:Pressão constante; 1:pressão estimada;
Há vantagens acessórias na utilização de válvulas de duas vias
- Eficiência de motores e de bombas (EFF):
0: EFF2; 1:EFF1 (mais eficiente)
Eficiência do motor
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
17Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
0 5 10 15
Eff
icie
ncy
Shaft power
- Permutador de calor na UTAN (AHEX): 0- sem recuperador; 1 com recuperador de placas;
- A eficiência varia com a temperatura devido à recuperação de carga latente do ar de exaustão.
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
18Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-5 0 5 10 15 20
Eff
icie
ncy
Dry bulb outdoor air temperature
Recuperador de calor de placas
-Pressão reduzida no circuito de ar (DPRA):
Aumentando a secção da UTAN
- 0- secção comum; 1- secção ampliada
Caudal de ar no circuito de insuflação:
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
19Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Caudal de ar no circuito de insuflação: 4.500 m3/h com perda de carga de 760 Pa; reduzida para 610 Pa;
Caudal de ar no circuito de extracção: 3.600 m3/h com perda de carga de 360 Pa; reduzida para 260 Pa.
-Perda de carga reduzida no circuito secundário (DPRW):
0: sem redução; 1: com menor perda de carga
- Circuito da UTAN: 48 kPa em arrefecimento; 58 kPaem aquecimento; reduzido para 28 e 38 kPa;
- Circuito dos VCs: 58 kPa em arrefecimento; 56 kPa
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
20Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Circuito dos VCs: 58 kPa em arrefecimento; 56 kPaem aquecimento; reduzido para 40 e 38 kPa;
- Sistema de aquecimento parado de 1 de Junho a 30 de Setembro.
- Temperatura de evaporação (EVT):
0: evaporador a 2 ºC para temperatura de saída da água de 7 ºC; 1: evaporador a 5 ºC para saída a 10 ºC.
- Eficiência do Chiller (EER):
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
21Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Eficiência do Chiller (EER):
0: metade da eficiência do ciclo
de Carnot
1:10% melhorado
Recup.
-Recuperação (CHR): 0: sem recuperação; 1: com recuperação parcial.
- Cerca de 20% da carga de arrefecimento;
- Não aumenta a temperatura de condensação a cargas parciais.
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
Recup.
sensível
22Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
parciais.
Ch+Rec
-Ventiloconvectores de velocidade variável (FCVS): 0: com velocidade constante; 1: com VCs ECDC
Per
cen
tag
e o
f el
ectr
ical
en
erg
y Relação entre a energia de um
VC ECDC/ VC comum
5- Análise paramétrica do consumo em AVAC
23Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Per
cen
tag
e o
f el
ectr
ical
en
erg
y
Percentage of cooling load of the fan-coil
VC ECDC/ VC comum
Combinatory Generator
Energy Evaluation
Matlab Workspace
*.xls
Design Builder
Reading data
*.xls
AHU fans
O diagrama do programa:
1- DB – cargas internas (inferiores às do modelo real) ;
2- O programa gera as 3x212 (12.288) resultados;
6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC
24Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
*.txt *.xls
Matlab Workspace
RSM
Output of results
AHU coil
AHU fans
AHU pumps
Fan-coil pumps
Chiller
Ducts and tubes
Fan-coils fans
resultados;
3- O RSM (response surface method) avalia os parâmetros.
Avaliar as implicações cruzadas dos parâmetros
6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC
- A implicação paramétrica:
- DCV e VCs com inverter são os parâmetros mais importantes.
Energia Total
Base 1,07E+08
DCV Demand Control Ventilation 9,17E+07 -15%
VWF Variable Water Flow 1,07E+08 -1%
AHEX Air Handling Heat Exchanger 1,08E+08 0%
EFF Motor Efficiency 1,04E+08 -3%
25Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
importantes. EFF Motor Efficiency 1,04E+08 -3%
DPRA DP Reduced in the Air Circuit 1,03E+08 -5%
DPRW DP Reduced in the Water Circuit 1,06E+08 -2%
AFCT Air Flow Control Type 1,07E+08 0%
WFCT Water Flow Control Type 1,06E+08 0%
EVT Evaporator Temperature 1,15E+08 7%
EER Chiller EER 1,03E+08 -4%
CHR Chiller Total Recovery 1,23E+08 15%
WDT Water DT 1,16E+08 8%
FCVS Fan-Coil Variable Speed 9,28E+07 -14%
6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC
- Utiliza 12.288 combinações de parâmetros e respectivo consumo de energia total;
- Cria superfícies de ajustamento de mínimos quadrados, com uma equação linear com interacção;
- Os coeficientes b do ajustamento, permitem avaliar a importância relativa de cada parâmetro;
- São apresentados os inteiros dos valores divididos por 105 de modo a apresentar-se apenas os mais significativos.
26Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
�p p p
li 0 i i i,j i ji 1 i 1 j i
Y (X) bn bn .X bn .X .X= = >
= φ = + +∑ ∑∑
DCV VWF AHEX EFF DPRA DPRW AFCT WFCT EVT EER CHR WDT FCVS
DCV -80 3 1 4 -15 2 1 Demand Control Ventilation
VWF -2 1 Variable Water Flow
AHEX 3 -3 -2 Air Handling Heat Exchanger
EFF -10 1 Motor Efficiency
DPRA -24 2 DP Reduced in the Air Circuit
- Os coeficientes b do ajustamento de mínimos quadrados:
6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC
DPRA -24 2 DP Reduced in the Air Circuit
DPRW -5 1 DP Reduced in the Water Circuit
AFCT -15 Air Flow Control Type
WFCT -5 2 Water Flow Control Type
EVT 22 3 -25Evaporator Temperature
EER -17 Chiller EER
CHR -3 Chiller Partial Recovery
WDT 23 -36Water DT
FCVS -132Fan-Coil Variable Speed
27Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
7- Uma possibilidade de NZEB
Aplicação NZEB: Foco na energia despendida.
- Aplicado ao edifício referido mas com:
- Melhores tecnologias no sistema AVAC;
- Melhores tecnologias de iluminação (max 2W/100 lux e controlo de fluxo); de fluxo);
- Equipamentos mais eficientes (LCD, computadores).
O que é possível obter?
28Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014 Miguel Cavique
Valores em kWh/ano Iluminação
Equip.
escritório
Equip.
hospitar
Total
Equip. AVAC
Outros
(elev. Ilum.
exterior) Total
Base facturas 571.000
Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183
Boa ilum equip esc (Pior AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 120.547 3.690 423.478
Boa ilum equip esc (Melhor AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 47.917 3.690 350.848
- Utilização de painéis fotovoltaicos
- Rendimento painéis de silício amorfo: 10%
- Rendimento de mono-cristalinos de silício: 16%
- Rendimento de mono-cristalinos de arsenito de gálio: 33%
7- Uma possibilidade de NZEB
- Rendimento de painéis poli-cristalinos com concentradores: 47%
29Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Utilização de painéis fotovoltaicos
- Com uma área disponível de cerca de 630 m2
- Usando painéis de gálio no terraço do 2º piso e em fatias do terraço do 1º
7- Uma possibilidade de NZEB
do 2º piso e em fatias do terraço do 1º piso, obtém-se para o sistema com iluminação e equipamento de escritório melhor, associado ao melhor sistema de AVAC:
30Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
Valores em kWh/ano Iluminação
Equip
escritório
Equip
hospitar Total Equip AVAC
Outros
(elev ilum
exterior) Total Fotovoltaico Facturas
Boa ilum equip esc (Melhor
AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 47.917 3.690 350.848 329.130 21.718
8- Conclusões sobre NZEB
- É possível obter um edifício NZEB, existente:
- Num edifício com três pisos;
- Reformulando o sistema de iluminação;
- Reformulando as cargas internas de material de escritório;
- Usando um sistema de climatização muito eficiente;
- Com produção própria de painéis FV de arsenito de gálio.
31Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
8- Conclusões em AVAC
- Em AVAC usar:
- Chiller de elevada eficiência;
- DCV;
- Reduzir perdas de carga nas UTANs;
- Sistema de controlo de caudal eficiente;
- VCs com variação de caudal.
32Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
- Em AVAC ponderar bem a utilização:
- Aumento da temperatura de evaporação;
- Aumento das diferenças de temperatura.
Obrigado pela vossa atenção
33Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014
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