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1 Sino-Italian Ecological and Energy Efficient Building - SIEEB SIMULAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA INTRODUÇÃO AO DESIGNBUILDER Dr. Antônio César Silveira Baptista da Silva Dr. Eduardo Grala da Cunha UFPEL/FAUrb/LABCEE Laboratório de Conforto e Eficiência Energética

2 SUMÁRIO 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico e eficiência energética das edificações; 2. O software DesignBuilder 2.1 Aquisição 2.2 Interface 2.2 Conceitos Gerais 3. Configurando o Sítio 4. Modelagem da Geometria 5. Configuração do Uso 6. Análise de eficiência e conforto térmico

3 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações O que é simulação? Representaçãoimitativado funcionamentode um sistemaou processopormeiodo funcionamento de outro(merriam-webster Dictionary On-Line);

4 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações O que é simulação térmica da edificação? Um modelo computacional dos processos de trocas térmicas de uma edificação; Exemplos de programas de simulação térmica: EnergyPlus(BLAST + DOE-2), DesignBuilder, Blast, DOE-2, Ecotect, Arqtrop...

5 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações Quaissão os objetivos da simulação térmica? Cálculo de carga térmica Geralmente usado para dimensionamento de equipamentos como ventiladores, chillers, boilers, aparelhos de ar condicionado; Análise Energética Possibilita verificar os custos do consumo de energia das edificações para climatização artificial (inverno e verão); Análise do nível de conforto térmico Permite avaliar o grau de conforto do espaço interior (PMV, temperatura operativa, Givoni);

6 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações Porque a simulação é importante? A simulação permite que uma edificação possa ser simulada antes da sua construção; A simulação permite testar várias alternativas de projeto no que diz respeito ao consumo energético, possibilitando comparações; As simulações conduzem a edificações mais eficientes energeticamente;

7 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações Como a simulação computacional pode ajudar na economia de energia nas edificações? Edificações no Brasil consomem metade da energia gerada no país; Edificações comerciais, públicas e de serviços consomem 22% da energia gerada. Em alguns casos mais 50% da energia consumida nas edificações é proveniente da climatização artificial; Edificações residenciais consomem 22% da energia elétrica gerada; As possibilidades de verificar o desempenho antes da construção permitem analisar as opções mais eficientes;

8 1. Aspectos gerais da simulação computacional de desempenho térmico das edificações Conceitos importantes: Conservação de energia: primeira lei da Termodinâmica; Lei da conservação de energia Calor+ Trabalhoé constante no sistema; Mecanismos de transferência de Calor: Condução; Convecção; Radiação; Evaporação; LAMBERTS et al(2004)

9 EnergyPlusStructure Estrutura do Programa EnergyPlus -Modelagem -Condições de Uso -Configuração do envelope -Sistemas de condicionamento artificial Designbuilder GARD Analytics, Inc. and University of Illinois at Urbana-Champaign under contract to the National Renewable Energy Laboratory. All material Copyright U.S.D.O.E. - All rights reserved

10 EnergyPlusStructure Estrutura do Programa EnergyPlus Integrated Simulation Manager Sky Model Module EnergyPlus Simulation Manager Air Loop Module Shading Module Daylighting Module Window Glass Module Integrated Solution Manager Surface Heat Air Heat Building Balance Balance Systems Simulation Manager Manager Manager Zone Equip Module Plant Loop Module Condenser Loop Module CTF Calculation Module COMIS PV Module GARD Analytics, Inc. and University of Illinois at Urbana-Champaign under contract to the National Renewable Energy Laboratory. All material Copyright U.S.D.O.E. - All rights reserved

11 EnergyPlusStructure Estrutura do Programa EnergyPlus Input Output Files Input Data Dictionary (IDD) Input Data Dictionary This file is created by EnergyPlus developers. Input Data Files (IDF) Input Data File This file will be created by User Object,data,data,,data; Object,data,data,,data; EnergyPlus Program Main Program Module Module Module Module Module Module Output Processor Output Files File Types: Standard Reports Standard Reports (Detail) Optional Reports Optional Reports (Detail) Initialization Reports Overview of File Format: Header Data Dictionary Data Note: These files will be created by EnergyPlus. GARD Analytics, Inc. and University of Illinois at Urbana-Champaign under contract to the National Renewable Energy Laboratory. All material Copyright U.S.D.O.E. - All rights reserved

12 2. DesignBuilder 2.1 Aquisição do Programa obtenção da cópia comercial ou da versão gratuita para experimentar o programa (versão try-buy ); fornecedor internacional via Software Ltd, ), ou do representante comercial brasileiro via Lima, Pedrini e Rodrigues, 2009

13 2.2 Interface 2. DesignBuilder O programa DesignBuilderconsiste numa ferramenta para simulação do desempenho térmico e energético de edificações. A interface utiliza os algoritmos do EnergyPluse corrige suas limitações gráficas no processo de modelagem. Tela de abertura A tela de abertura do DesignBuilderapresenta uma lista dos arquivos mais recentes salvos pelo usuário e uma relação de templatescom modelos prontos que exemplificam diferentes abordagens. Uma barra lateral de ajuda fornece informações sobre as opções disponíveis no menu.

14 2. DesignBuilder Lima (2009) 2.2 Interface gráfica

15 -Módulo layout: - Visualização; -Construção e configuração do modelo; Lima (2009)

16 Menu File Gerenciamento de arquivos; Lima (2009)

17 O menu editse refere basicamente aos comandos de criação de blocos (e edifícios), desenho auxiliar e edição volumétrica. Lima (2009)

18 2. DesignBuilder Através do menu Go pode-se navegar pelos níveis de hierarquia que compõem o modelo ou acessar os modos de edição, visualização e simulação. Lima (2009)

19 2. DesignBuilder Menu tools permite editar opções gerais do programa; Lima (2009)

20 2. DesignBuilder Activity: destinado às variáveis de ocupação, como rotinas de ocupação (presença de pessoas e uso de equipamentos), temperaturas de set point, etc. Construction: variáveis referentes aos sistemas construtivos adotados, como paredes, cobertura, pisos, etc. Openings: parâmetros de aberturas, janelas, portas, proteções solares, etc. Lighting: variáveis de iluminação, com densidade de iluminação, rotinas, tipos de luminárias, etc. HVAC: refere-se às configurações de climatização (resfriamento, aquecimento, ventilação mecânica ou natural). CFD(dependendo do tipo de licença): configurações gerais do contorno de CFD. Options: Opções de dados de saída. Lima (2009)

21 2. DesignBuilder 2.3 Conceitos Gerais Lima (2009)

22 -5 etapas até a análise dos resultados do caso base Lima (2009)

23 3. Configurando o Sítio Os arquivos climáticos adotados pelo DesignBuilderapresentam dados climáticos horáriosde um ano típico selecionado a partir da análise de uma base de dados de vários anos. O DesignBuilder suporta a extensão.epw (energyplusdata files) e permite a conversão de arquivos em outras extensões. TMY2 - Typical. Meteorological Year II TRY - Test Reference Year

24 3. Configurando o Sítio Sugestão: recomenda-se o uso dos arquivos climáticos nacionais do tipo TRY (Goulart, Lamberts et al., 1998), disponíveis gratuitamente no oadaclim.html

25 3. Configurando o Sítio

26 3. Configurando o Sítio Temperatura do solo Lima (2009)

27 4. Modelagem da Geometria A modelagem é desenvolvida com base no desenho da edificação nos eixos X, Y e Z;

28 4. Modelagem da Geometria A modelagem é desenvolvida com base no desenho da edificação nos eixos X, Y e Z; Lima (2009)

29 4. Modelagem da Geometria A modelagem desenvolvida no Energy Plus (sem plugin Open Studio) Interface gráfica do Energy Plus

30 4. Modelagem da Geometria 4.1 Criando zonas: desenho de partições Após desenho do bloco, subdividimos as zonas; Seleciona o bloco; Ferramenta de desenho de partições (primeiro devemos selecionar o bloco); Standard: participação padrão que subdivide os ambientes; Virtual Partitions: partição virtual para separar zonas; Lima (2009)

31 Lima (2009)

32 4. Modelagem da Geometria 4.2 Editando a geometria de blocos Slice face: corta um bloco; Lima (2009)

33 5. Configuração do Modelo 5.1 Activity(uso, densidade, atividade, metabolismo, quantidade de água quente consumida diariamente, temperaturas de setpoint, ganhos de calor decorrentes dos equipamentos); Destinada às variáveis de ocupação.

34 5. Configuração do Modelo 5.2 Construção O programa usa componentes de construção (constructions) para calcular a transferência de calor pelas superfícies opacas de paredes, cobertura e pisos; COBERTURA; PISO; PAREDES EXTERIORES; PAREDES INTERNAS; MASSA INTERNA

35

36 5. Configuração do Modelo 5.3 Openings Permite definir as configurações de todas as aberturas operáveis;

37 5. Configuração do Modelo 5.4 Lightings Três funções principais: Iluminação geral densidade de potência (W/m 2 ); Iluminação da tarefa; Controle de iluminação compatibilização com a iluminação natural Tipo de controle (glare ofuscamento máximo, linear controle linear) e stepped regiões da sala;

38 5. Configuração do Modelo Lima (2009)

39 5.5 HVAC 5. Configuração do Modelo São configurados os sistemas HVAC e consumo de água quente; Podem ser modeladas até 400 zonas; Apresenta as seguintes seções: Mechanical ventilation; Heating; Cooling; DHW; Natural Ventilation; Air temperature distribution;

40 6. Análise da eficiência e do conforto 6.1 Resultados das simulações Frações de hora, horários, diários, semanais, mensais e anual; O período escolhido ao longo do ano (verão, inverno, primavera, outono, 3 dias em dezembro, 3 dias em junho,...);

41 6. Análise da eficiência e do conforto Lima (2009)

42 6. Análise da eficiência e do conforto 6.2 Modo de visualização dos resultados Lima (2009)

43 6. Análise da eficiência e do conforto 6.3 Modo detalhado de visualização (Gráficos) -Dados do sítio ; -Conforto: predição de temperaturas interna, radiante média, UR e conforto; -Ganhos internos de calor; -Fluxo de calor total nos elementos construtivos; -consumo por uso final; -consumo por combustível usado; -estimativas de produção de CO2;

44 6. Análise da eficiência e do conforto 6.3 Modo detalhado de visualização (Tabela 1)

45 6.3 Modo detalhado de visualização (Tabelas 2)

46 6. Análise da eficiência e do conforto 6.4 Análise Paramétrica possibilidade de correlacionar variáveis na análise de desempenho e eficiência;

47

48 Referências Blibliográficas LIMA, Raoni. Manual de Treinamento para o programa Design Builderversão 2.0. Laboratório de Conforto Ambiental UFRN. Natal: PEDRINI, Aldomar, LIMA, RaoniVenâncio de, RODRIGUES, Clara Ovídio. Introdução à simulação com o programa DesignBuilder. Módulo I: potencial de aplicação. Laboratório de Conforto Ambiental UFRN. Natal: Tradução de parte da apresentação disponibilizada pela GARD Analytics, Inc. and University of Illinois at Urbana-Champaign under contract to the National Renewable Energy Laboratory. All material Copyright U.S.D.O.E. - All rights reserved. Disponível em

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