Net-Zero energy performance em edifícios de serviços

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1 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços Carlos Lisboa LNEG FCT UNL Lisboa, 25 e 26 de Junho de de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 1

2 PARADIGMA: Algo que serve de exemplo geral ou de modelo. = PADRÃO Paradigma (do grego parádeigma) literalmente modelo, é a representação de um padrão...a constellation of concepts, values, perceptions and practices shared by a community which forms a particular vision of reality that is the basis of the way a community organises itself. (Thomas Kuhn, em The Structure of Scientific Revolutions,1962) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 2

3 A reformulação da Directiva Europeia relativa ao desempenho energético dos edifícios obriga todos os edifícios novos a serem Net Zero Energy, NZE, em 2020 (2018 para os edifícios públicos) Nos EUA o Programa de Tecnologias de Edifícios do Departamento de Energia, DOE, estabeleceu um programa de investigação com o objectivo de criar as tecnologias e soluções que permitam que em 2025 a construção de Net Zero Energy Buildings seja competitiva com as soluções convencionais. Na classificação energética proposta pela ASHRAE, o grau mais elevado (A+) corresponde a Net Zero Energy Building. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 3

4 PARADIGMA ACTUAL: Cargas internas elevadas (iluminação, equipamentos e ocupação), Soluções arquitectónicas existentes concebidas maioritariamente com poucas preocupações de eficiência energética, Sistemas de climatização existentes concebidos maioritariamente com poucas preocupações de eficiência energética, Temperatura ambiente interior baixa, em conformidade com critérios clássicos de conforto térmico, Grandes exigências no que se refere à qualidade do ar interior e ao tratamento do ar exterior devido a ambiente urbano significativamente poluído e ruidoso devido ao trânsito automóvel, Caudal de ar novo constante e dimensionado para o pico de ocupação, Produção energética centralizada. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 4

5 PARADIGMA ACTUAL: Consumo anual de energia por sector (Auditorias energéticas a três edifícios de escritórios em Lisboa) Consumo médio total de energia de 150kWh/m2/ano 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 5

6 PARADIGMA ACTUAL: Consumo anual de energia por sector Reduções de consumo em iluminação e equipamentos conduzem a uma redução indirecta em climatização. Estas reduções são prioritárias! 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 6

7 CARGAS INTERNAS: 8 m Exemplo real de densidade extrema (3.5 m2/pessoa, 1PC por pessoa) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 7

8 CARGAS INTERNAS: 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 8

9 CARGAS INTERNAS: Iluminação Com a tecnologia mais eficiente de iluminação actual conseguem-se 500lux com uma potência instalada de apenas 6W/m2. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 9

10 CARGAS INTERNAS: Iluminação Com tecnologia de lâmpadas fluorescentes de alta eficiência aplicadas em luminárias com reflectores de alta reflectividade conseguem-se potências instaladas de entre 4 e 6W/m2 para obter 500lux médios no plano de trabalho, Esta potência pode ser ligeiramente mais baixa com a tecnologia de LEDs, A aplicação de balastros electrónicos digitais endereçáveis ligados por BUS ao sistema de gestão técnica permite a configuração através do sistema de gestão do fluxo luminoso por luminária. Com esta solução conseguem-se obter os 500lux apenas nos postos de trabalho, reduzindo para 200lux na restante área e reduzindo significativamente o consumo, e a carga térmica, quando comparado com o consumo da solução convencional (nível de luminosidade uniforme em toda a área útil), 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 10

11 CARGAS INTERNAS: Iluminação Uma boa concepção arquitectónica do ponto de vista da maximização da iluminação natural, aliada a um adequado sistema automático de comando da iluminação artificial, pode reduzir drasticamente o consumo de energia em iluminação, As soluções de iluminação natural são uma grande condicionante à concepção arquitectónica, Uma boa integração na arquitectura das mais eficazes soluções de iluminação natural só é possível numa fase muito inicial de concepção, quando o 3D ainda só está na cabeça do arquitecto, É necessário informar os nossos arquitectos sobre como conceber os edifícios para maximizar a iluminação natural! Sistemas de comando automático com sensores de ocupação permitem ainda reduzir mais um pouco o consumo em iluminação. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 11

12 CARGAS INTERNAS: Iluminação DESAFIO/OBJECTIVO; A aplicação das mais eficientes tecnologias de iluminação artificial aliada a uma concepção optimizada em termos de iluminação natural poderá levar o consumo em iluminação para menos de 5kWh/m2/ano 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 12

13 CARGAS INTERNAS: Equipamentos Excluindo períodos de hibernação ou suspensão, um computador pessoal (PC) médio consome em média entre 110W e 125W (ASHRAE Research Project RP-1055, 1999), O consumo em equipamentos, e a carga térmica associada, depende fundamentalmente da concepção dos mesmos, O consumo depende também da forma como os mesmos são utilizados (utilização manual ou automática dos modos de hibernação e suspensão), O programa EnergyStar, criado pela Environmental Protection Agency, EUA, em 1993, levou os fabricantes de equipamentos de escritório (PCs, impressoras, fotocopiadoras, etc.) a melhorarem significativamente a eficiência energética dos mesmos, Terá que se dar um novo salto evolutivo na concepção dos equipamentos para conseguir atingir o objectivo Zero Energy. Esta evolução tecnológica, como se demonstra pelo programa EnergyStar, pode ser dinamizada pelos estados (EUA/UE). 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 13

14 CARGAS INTERNAS: Equipamentos. PCs Cloud Computing. Processamento e storage em Mega Data Centers (DC) de alta eficiência energética (PUE<1,25) PC com reduzidos recursos de processamento e storage => baixo consumo nos edifícios Imagem do novo DC da yahoo PUE~1,1 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 14

15 CARGAS INTERNAS: Equipamentos DESAFIO/OBJECTIVO; A aplicação de novas soluções/concepções de soluções e tecnologias informáticas, nomeadamente Cloud Computing poderá levar o consumo em equipamentos nos edifícios para valores significativamente inferiores aos actuais 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 15

16 SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS E CONSTRUTIVAS: A ausência de um eficaz sombreamento das superfícies envidraçadas no período de Inverno, aliado à elevada carga térmica interna, leva normalmente a que o pico de necessidades de arrefecimento ocorra em Novembro ou Dezembro (nas fachadas orientadas a Sul), Imagem simulada da fachada Sul de edifício existente às 12h de Dezembro. (no Verão o sombreamento é completamente eficaz) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 16

17 SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS E CONSTRUTIVAS: Generalidade dos edifícios em Portugal são actualmente concebidos com a preocupação dominante da estética, sendo, entre outros aspectos, sacrificada a eficiência energética àquele objectivo, A maioria dos edifícios existentes seriam inabitáveis sem recurso a sistemas de climatização, mesmo na ausência de cargas internas, A concepção arquitectónica e as soluções construtivas (especificações térmicas e solares da envolvente) têm que ser testadas e optimizadas do ponto de vista da eficiência energética, recorrendo a software de simulação, Para se atingir o objectivo Zero Energy é necessário evitar completamente a incidência de radiação solar directa nas superfícies envidraçadas no período de Verão e gerir essa mesma incidência no período de Inverno. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 17

18 SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS E CONSTRUTIVAS: DESAFIO/OBJECTIVO; As soluções arquitectónicas e construtivas devem ser tais que proporcionem condições de habitabilidade na ausência de cargas internas e de sistemas de climatização activos. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 18

19 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Estudo do Department of Energy (DOE), dos EUA. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 19

20 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ventiladores e bombas são os maiores consumidores! Estudo do Department of Energy (DOE), dos EUA. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 20

21 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ventiladores. Necessário optimizar energeticamente os sistemas aeráulicos, Por 1000Pa de pressão o ar aquece cerca de 1ºC, Se, entre a insuflação e o retorno, a pressão fornecida pelos ventiladores for de 2000Pa, os ventiladores contribuem com um aquecimento de 2ºC, Os sistemas a ar são dimensionados para um dt=8/10ºc, portanto, o aquecimento dos ventiladores corresponde a 20% a carga sensível do local, É prioritário conceber soluções/tecnologias que reduzam a pressão dos ventiladores, Unidades de climatização de baixa perda de carga (velocidades transversais baixas), Redes aeráulicas optimizadas, Localização central das unidades de tratamento de ar, Ventiladores e motores de alta eficiência, Utilização de filtragem do ar com racionalidade. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 21

22 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ventiladores. Filtragem do ar. Em Portugal, as recentes exigências de qualidade do ar interior obrigam à instalação nos sistemas de vários filtros de alta eficiência (F5 a F9), inclusivé nas admissões de ar exterior, Estes filtros introduzem perdas de carga de centenas de Pascal, Estas exigências conduzem a um aumento significativo do consumo de energia (e carga térmica associada) em ventiladores, A aplicação de filtros finos (F5 a F9) tem como objectivo a protecção da saúde. Para protecção dos equipamentos são suficientes filtros gravimétricos (G1 a G4), de menor perda de carga, A aplicação dos níveis de filtragem actualmente exigidos não está devidamente justificada por estudos da ciência médica ou recomendações da OMS, É necessário rever os critérios de aplicação de filtros em sistemas de climatização, A justificarem-se os níveis de filtragem do ar exterior actualmente exigidos inviabilizam-se os sistemas de ventilação natural. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 22

23 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ar Novo. Em Portugal, a aplicação da lei em vigor tem conduzido frequentemente a caudais de ar novo 2,5 vezes superiores ao requerido, esta situação será corrigida na revisão da lei em curso, Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1] [2], (1) Maripuu, L-L, DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.) (2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 23

24 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ar Novo. Em Portugal, a aplicação da lei em vigor tem conduzido frequentemente a caudais de ar novo 2,5 vezes superiores ao requerido, esta situação será corrigida na revisão da lei em curso, Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1] [2], Necessário implementar sistemas de Demand Controlled Ventilation, DCV, abrangendo todo o edifício e não apenas as salas de conferências! (1) Maripuu, L-L, DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.) (2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 24

25 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Ar Novo. Em Portugal, a aplicação da lei em vigor tem conduzido frequentemente a caudais de ar novo 2,5 vezes superiores ao requerido, esta situação será corrigida na revisão da lei em curso, Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1] [2], Necessário implementar sistemas de Demand Controlled Ventilation, DCV, abrangendo todo o edifício e não apenas as salas de conferências! Detetores de ocupação, Difusores com bom desempenho para diferentes caudais de ar, Rede de condutas e ventiladores dimensionados para Volume de Ar Variável. (1) Maripuu, L-L, DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.) (2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 25

26 EER (Kw frio / kw consumidos) Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Unidades de expansão directa. 7 Actualmente há unidades com EER nominal de 6,0 e COP de 6,12! 6 EER médio >3,20 60% das unidades são Classe A! ANO EER máx EER med EER min Até 2006 ; ref. Saheb, Pierrot, Becirspahic / após 2006 ; pesquisa na base de dados da Eurovent 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 26

27 EER Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Unidades de expansão directa EER de splits de conforto certificados. Março de Splits certificados pela Eurovent em Março/ Potência de refrigeração (kw) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 27

28 EER Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Unidades de expansão directa. EFICIÊNCIA A DIFERENTES TEMPERATURAS EXTERIORES. DAKIN FTXR28EV1B9+RXR28EV1B9 (Temperatura ambiente interior = 27ºC) Em condições de carga parcial atingem-se EER muito elevados Temperatura exterior média de Lisboa Condições EUROVENT Temperatura Exterior (ºC) EER sobre a potência total EER sobre a potência sensível 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 28

29 EER (kw frio / kw elect) Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Eficiência de chillers. Para baixas diferenças entre a temperatura no evaporador e no condensador atingem-se EER muito elevados, superior a 10!! Eficência versus carga do chiller e temperatura de entrada no condensador As eficiências mais elevadas obtêm-se para cargas entre 50% e 75%! Temperatura entrada no condensador (ºC) 25% 50% 75% 100% 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 29

30 EER (kw térm / kw eléct) EWT. Condenser Entering Water Temperature (ºC) Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Eficiência de chillers ,8 15,4 Chiller de levitação magnética (sem óleo) Produção de 12ºC usando fonte geotérmica entre 18ºC e 20ºC 15,2 14, ,2 13, ,8 12,1 11, ,7 17 Temperatura da água refrigerada produzida = 12ºC Chiller Load(%) EER EWT 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 30

31 EER (kw térm / kw eléct) EWT. Condenser Entering Water Temperature (ºC) Net Zero Energy Buildings Conference SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Eficiência de chillers. Chiller de levitação magnética (sem óleo) Produção de 7ºC usando fonte geotérmica entre 18ºC e 20ºC Aumento do consumo de aproximadamente 17%, comparado com produção a 12ºC ,8 12, ,4 11,1 11,8 12, , , ,0 8,9 17 Temperatura da água refrigerada produzida = 7ºC Chiller Load(%) EER EWT 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 31

32 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Sistemas a água a 15-22ºC. Conseguem muito elevadas eficiências de produção de frio (EER de cerca de 10) com baixos diferenciais de temperatura entre o condensador e o evaporador, Este facto é a principal vantagem de aplicação de sistemas funcionando com temperaturas da água mais elevadas do que as tradicionais (7/12ºC). Estes sistemas baseiam-se em arrefecimento sensível e são do tipo, Vigas arrefecidas, Tectos/pavimentos/paredes arrefecidos, Unidades convencionais com serpentinas dimensionadas para temperatura elevadas da água refrigerada. Para além da maior eficiência da produção de frio não se gasta energia em arrefecimento latente (desumidificação) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 32

33 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Conforto adaptativo. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 33

34 SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO: Conforto adaptativo. ANSI/ASHRAE STANDARD de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 34

35 O QUE FAZER NO VERÃO? Condições prévias; Arquitectura energeticamente optimizada, Redução de cargas térmicas de iluminação, Redução de cargas térmicas de equipamentos, Solução para temperaturas exteriores médias; Em grande parte das horas do Verão os edifícios de serviços poderão ser tratados apenas com sistemas de ventilação natural transversal (aberturas em fachadas) cumprindo os critérios de conforto adaptativo, Solução para temperaturas exteriores extremas; Para as horas em que a temperatura exterior é excessivamente elevada para criar condições de trabalho aceitáveis no interior deverão adoptar-se sistemas activos de alta eficiência a água a alta temperatura. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 35

36 O QUE FAZER NO VERÃO? Solução mais generalizada quando a implantação do Condições prévias; veículo eléctrico conduzir a Arquitectura energeticamente optimizada, menores emissões poluentes Redução de cargas térmicas de iluminação, e acústicas do trânsito Redução de cargas térmicas de equipamentos, automóvel. Solução para temperaturas exteriores médias; Em grande parte das horas do Verão os edifícios de serviços poderão ser tratados apenas com sistemas de ventilação natural transversal (aberturas em fachadas) cumprindo os critérios de conforto adaptativo, Solução para temperaturas exteriores extremas; Para as horas em que a temperatura exterior é excessivamente elevada para criar condições de trabalho aceitáveis no interior deverão adoptar-se sistemas activos de alta eficiência a água a alta temperatura. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 36

37 O QUE FAZER NO INVERNO? Condições prévias; Arquitectura energeticamente optimizada, Redução de cargas térmicas de iluminação, Redução de cargas térmicas de equipamentos, Solução para baixas densidades de ocupação; Aquecimento por meios passivos ou por bombas de calor de alta eficiência a baixa temperatura, Solução para elevadas densidades de ocupação; Soluções de free-cooling directo (no ar), Soluções de free-cooling indirecto (na água), Soluções de arrefecimento activo de alta eficiência. (soluções para os dias em que as condições meteorológicas, temperatura, vento ou chuva não permitam funcionar com os sistemas de ventilação natural transversal) 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 37

38 PARADIGMA FUTURO: Cargas internas baixas (iluminação e equipamentos), Soluções arquitectónicas optimizadas relativamente à eficiência energética, Sistemas de climatização optimizados relativamente à eficiência energética, Temperatura ambiente interior em conformidade com critérios de conforto adaptativo, Ambiente exterior de qualidade devido à implantação do veículo eléctrico, permitindo a maior viabilidade de sistemas de ventilação natural transversal, Produção energética descentralizada. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 38

39 PROCEDIMENTO PARA NZEB: 1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas), 2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial), 3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de projeto, 4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia previsto para o edifício. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 39

40 PROCEDIMENTO PARA NZEB: 1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas), 2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial), 3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de projeto, 4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia previsto para o edifício. A principal causa para o fracasso de projetos NZEB tem sido a incapacidade de previsão correta do consumo de energia do edifício. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 40

41 PROCEDIMENTO PARA NZEB: 1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas), 2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial), 3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de projeto, 4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia previsto para o edifício. A principal causa para o fracasso de projetos NZEB tem sido a incapacidade de previsão correta do consumo de energia do edifício. Necessário desenvolver procedimentos de simulação dinâmica detalhada que conduzam a resultados mais fiáveis. 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 41

42 Boa Sorte para o desafio NZEB! 25 de Junho de 2012 Net-Zero energy performance em edifícios de serviços 42