Desempenho Térmico de edificações Aula 14: Simulação de Consumo de Energia e S3E

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1 Desempenho Térmico de edificações PROFESSOR Roberto Lamberts ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS

2 + Definição + Objetivos + Interação dinâmica + Adoção em projeto + Indicadores de desempenho + Mundo + USA + BR + Impacto das decisões + Função simulador + Processo integrado + Procedimento modelagem + Fundamentos modelagem + BIM + Simulação termo-energética + RTQ-C + S3E + Exemplos estrutura introdução IBPSA simulação em projeto Programas Regulamento BR 2

3 +INTRODUÇÃO + Definição + Objetivos + Interação dinâmica + Adoção em projeto + Indicadores de desempenho Definição (adaptada from wikipedia) Simulação é a imitação da operação de um processo ou sistema real ao longo do tempo. A ação de simular requer, primeiramente, o desenvolvimento de um modelo que represente as características e o comportamento do processo ou sistema real em análise. Em outras palavras, o modelo representa o próprio sistema e a simulação representa, ou reproduz, o funcionamento do sistema ao longo do tempo. 3

4 Definição O edifício virtual 4

5 Objetivos da simulação de desempenho energético em edificações Projeto: otimizar (high performance), cumprir requisitos, normas, prever o uso futuro (mudanças climáticas) Analisar a satisfação dos requisitos do usuário, conforto, bem estar. Entender o comportamento do edifício frente a dinâmica do clima Operação (entender problemas, prever estoque de energia térmica) Retrofit 5

6 Interação dinâmica 6

7 Adoção da simulação em projeto 7

8 Indicadores de desempenho Temperatura (60 valores), TBS, TBU, TRM, TOP Graus hora (acima ou abaixo de uma Tbase) Consumo de energia (kwh/m2) ano, mês, dia, hora Fluxo de calor por uma superfície Cargas térmicas (envoltória, internas) Velocidade do ar Iluminação natural 8

9 +IBPSA + Mundo + USA + BR IBPSA Mundo (ibpsa.org) Associação internacional de desempenho de edificações que reúne pesquisadores, desenvolvedores, projetistas dedicados a melhorar o ambiente construído 9

10 IBPSA Mundo 10

11 IBPSA USA 11

12 IBPSA USA 12

13 IBPSA USA 13

14 IBPSA USA 14

15 IBPSA USA 15

16 IBPSA USA and+managers%3a+a+guide+to+specifying+and+securing+services 16

17 IBPSA USA 17

18 IBPSA USA 18

19 IBPSA USA 19

20 IBPSA BR 20

21 +SIMULAÇÃO EM PROJETO Nível de esforço + Impacto das decisões + Função simulador + Processo integrado + Procedimento modelagem + Fundamentos modelagem Impacto das decisões de projeto Alto Modelagem energética Inspirado em material da IBPSA-USA Baixo Início do Projeto Tempo Fim do projeto 21

22 A função do simulador Analisar o uso de energia no edifício Garantir que o projeto minimiza o uso de energia, maximiza o conforto e assegura o atendimento aos códigos Auditar o projeto e apontar áreas de preocupação para o time de projeto 22

23 Processo integrado de projeto Definir metas Atividades Potencial Técnico Informar a equipe sobre as metas definidas Fazer recomendações o mais cedo possível para maximizar o ganho Identificar onde os esforços devem ser focados para maximizar as economias de energia e redução de carga térmica para redução do tamanho do equipamento de condicionamento Maximizar oportunidades de eficiência energética Objetivos da modelagem Passos da modelagem 23

24 Processo integrado de projeto Metas absolutas Consumo < 90kWh/m2 ZEB kwh/m2 ano Demanda < 40W/m2 Quantificar as metas de energia com a equipe de projeto % redução (90.1, RTQ, Benchmark) Comparativas 55% menos que a ASHRAE 90.1 Nível A Types of Goals Qual certificação Certificações LEED Platinum Selo PROCEL ASHRAE Building Energy Quotient Uso final Uso final 80% redução no consumo de iluminação através de iluminação natural 100% do aquecimento através de calor rejeitado ou energia solar 24

25 Energy Usage Processo integrado de projeto Current Design Improved u-values Reduced loads Different HVAC Option Controls Efficiency savings Theoretical Minimum O que é o potencial técnico? O Nível mínimo de consumo de energia possível em um edifício com as tecnologias existentes (excluindo geração local de energia) Porque é importante? Muda a maneira convencional de pensar Não fica limitado a benchmarks e normas Pode levar a metas de projeto mais agressivas Como determina-se o potencial técnico Inicie com uma baseline ou o projeto como está Remova perdas e ineficiências com a melhor tecnologia disponível 25

26 Processo integrado de projeto (1) Defina necessidades (2) Identifique medidas apropriadas (3) Reduza cargas térmicas (4) Selecione tecnologias apropriadas e eficientes (5) Planeje o sistema de condicionamento (6) Otimize a operação (7) Procure sinergias (8) Explore energias alternativas 26

27 Processo integrado de projeto Utilize analise de custo no ciclo de vida Otimize as estratégias de redução de carga Compare os indicadores com benchmarks Redimensione o sistema de condicionamento 27

28 Procedimento de modelagem Como a modelagem pode ser utilizada durante o ciclo de vida do edifício? Quais os principais passos em cada fase? Ocupação e operação Pós Construção Pré Projeto Especificações construtivas Projeto esquemático Desenvolvimento do projeto 28

29 Procedimento de modelagem Pré-Projeto a equipe de projeto define os primeiros conceitos do edifício, estrutura, sistemas e layout Alinhamento com a equipe para definir metas de economia de energia Modelagem para definir o potencial técnico do edifício Modelagem para informar o efeito da decisões de projeto Reunião com a equipe para o entendimento se o projeto adotado funciona/ atende as metas 29

30 Procedimento de modelagem Pré-Projeto Confirmar hipóteses adotadas e fazer uma analise big picture : 1. Baseado no que se tem disponível (planta baixa, tipologia, etc.) construir um modelo base (por exemplo Standard 90.1) 2. Documentar as hipóteses a anotar valores a serem validados. 3. Avaliar o uso final para descobrir áreas com oportunidade de maiores economias 4. Avaliar picos de carga térmica de aquecimento e refrigeração para identificar formas de reduzir o tamanho das maquinas. 5. Analisar os possíveis conflitos entre aquecimento e refrigeração 6. Analisar principalmente as decisões que devem ser tomadas no inicio do projeto e que depois são muito difíceis de reintroduzir. 7. Determinar o potencial técnico de eficiência para apresentar para a equipe de projeto. 30

31 Procedimento de modelagem Projeto esquemático Seja pontual O Processo de decisão pode acontecer rápido. Se o tempo é curto considerar simplificar padrões de uso, zoneamento geometria das janelas. Se dedicar aos componentes que são decididos no projeto esquemático Pé direito para maximizar o potencial de uso da luz natural Sistemas integrados: UFAD, ventilação natural, operação em modo misto. Responder e aproveitar as especificidades do projeto Motivações do cliente Informações requeridas pela equipe de projeto Histórico do projeto 31

32 Procedimento de modelagem Projeto esquemático 1. Revisar os documentos disponíveis (requisitos do proprietário, narrativas, desenhos). 2. Compilar os padrões de uso, DPI, DPE e dados de projeto para a equipe revisar 3. Avaliar o que não pode ser modelado por métodos alternativos (planilhas etc.) 4. Avaliar o impacto de mudar de referência para potencial técnico 5. Definir alternativas de sistemas HVAC 6. Definir e estudar MEEs 7. Simular MEEs uma por vez 8. Definir pacotes de MEEs para atingir metas 9. Verificar os resultados e confronte com métricas (HVAC, uso final) e metas 32

33 Procedimento de modelagem Desenvolvimento do projeto Dimensionamento apropriado do sistema Ajustar a especificação do sistema para a carga térmica Superdimensionamento (tipicamente para sistemas com VRF) : permite expansão e beneficia de melhores eficiência em cargas parciais Ajudar nas decisões de engenharia Mostrando o efeito cumulativo da medidas de eficiência Analisando o impacto nos custos Ajudar no ajuste das estratégias de eficiência Controles: delta T / resets / VAV mínimo / etc. Dispositivos de sombreamento horizontais/ verticais, etc. 33

34 Procedimento de modelagem Desenvolvimento do projeto 1. Atualizar os inputs do modelo com o projeto atualizado e documente hipóteses 2. Identificar diferenças entre projeto e especificações e solicitar atualizações (propriedades dos vidros, ventiladores, sequencia de operação ) 3. Para analises de custo no ciclo de vida, identificar as medidas de eficiência já incorporadas no projeto e fazer analises paramétricas para mostrar o efeito de não usar estas estratégias. 4. Identificar e analisar novas medidas de eficiência ainda não analisadas em etapas anteriores 5. Ajuste fino das medidas de eficiência no projeto: Parâmetros de Controle Dispositivos de sombreamento exterior Seleção do chiller (curvas em carga parcial) 6. Verificar se as capacidades do HVAC permitem conforto sem prejudicar a eficiência energética 34

35 Procedimento de modelagem Documentos para construção Assegurar que as estratégias de eficiência estejam registradas no projeto Finalizar as estimativas de desempenho e de economia de energia Documentar as economias para LEED / Etiquetagem / etc. Verificar mudanças na forma do edifício, orientação e zonas térmicas Verificar os parâmetros da envoltória (U, FS) Identificar alterações de DPI, DPE e padrões de uso 35

36 Procedimento de modelagem Documentos para construção Identificar mudanças em ventiladores, vazões ou outros do HVAC Identificar mudanças nos controles Revisar o modelo para refletir o projeto atual Assegurar que a documentação atende ao solicitado pelas autoridades/certificadoras Justificar todas as economias Descrever todos as entradas não padronizadas 36

37 Fundamentos de modelagem Geometria Termodinamicamente 3 informações são importantes para transferência de calor Área Orientação Inclinação E para infiltração Volume Com iluminação natural a forma também é importante 37

38 Fundamentos de modelagem Zoneamento do modelo Uso Todas salas com mesmo ganho interno e uso Temperatura de Controle Todas salas com o mesmo controle de termostato Ganho Solares Zonas perimetrais com janelas, pelo menos uma zona por orientação Zonas para o exterior sem janelas podem ser agrupadas Considerar os sombreamentos Perímetro ou Interior Zonas perimetrais de 5 metros geralmente requerem aquecimento Zonas de Core podem precisar apenas refrigeração Tipos de sistema de distribuição Combine salas servidas pelo mesmo sistema 38

39 Fundamentos de modelagem Tipos de zonas Condicionada Espaço refrigerado ou aquecido Não Condicionada Nem refrigerada nem aquecida Forros não suados como pleno, porões, áticos, garagens Plenos Retorno de ar Átrios usados como retorno 39

40 Fundamentos de modelagem Componentes construtivos Paredes externas e internas Paredes enterradas Contato com o solo Janelas 40

41 Fundamentos de modelagem Cargas internas Iluminação Cargas de tomadas Ocupação Padrões de uso 41

42 +PROGRAMAS COMPUTACIONAIS + BIM + Simulação termoenergética BIM Building Information Modeling Autodesk 42

43 BIM Bentley 43

44 BIM FLUX 44

45 BIM FLUX 45

46 BIM Grasshopper 46

47 BIM 47

48 BIM Dynamo 48

49 BIM Grasshopper 49

50 Simulação termo-energética de edificações IBPSA USA 50

51 Simulação termo-energética de edificações 51

52 Simulação termo-energética de edificações Arquivos climáticos 52

53 Simulação termo-energética de edificações Arquivos climáticos 53

54 Simulação termo-energética de edificações Arquivos climáticos Formatos - TRY - TMY 54

55 Simulação termo-energética de edificações 55

56 Simulação termo-energética de edificações 56

57 Simulação termo-energética de edificações 57

58 Simulação termo-energética de edificações 58

59 Simulação termo-energética de edificações 59

60 Simulação termo-energética de edificações 60

61 Simulação termo-energética de edificações 61

62 Simulação termo-energética de edificações 62

63 Simulação termo-energética de edificações 63

64 Simulação termo-energética de edificações 64

65 Simulação termo-energética de edificações 65

66 Simulação termo-energética de edificações Autodesk Insight

67 Simulação termo-energética de edificações Autodesk Insight

68 +REGULAMENTO BRASILEIRO + RTQ-C + S3E + Exemplos RTQ-C Método de Simulação Pré-requisitos específicos Características mínimas necessárias ao programa de simulação a ser utilizado Características mínimas exigidas para o arquivo climático. 68

69 RTQ-C Método de Simulação Procedimentos para simulação O método compara o desempenho do edifício proposto (real) com um edifício similar (de referência), cujas características devem estar de acordo com o nível de eficiência pretendido. Dois modelos devem ser construídos: o modelo representando o edifício real (de acordo com o projeto proposto) e o modelo de referência (de acordo com o nível de eficiência pretendido). Consumo de energia do projeto proposto deve ser igual ou menor do que o consumo do edifício de referência para que seja concedida a classificação no nível de eficiência energética pretendido. 69

70 RTQ-C Método de Simulação Procedimentos para simulação Para etiquetas parciais, o modelo real deve conter as seguintes alterações: Etiqueta Parcial da Envoltória: Simular com os sistemas de iluminação e com o sistema de condicionamento de ar especificados para o modelo do edifício de referência, de acordo com o nível de eficiência energética pretendido; Etiquetas Parciais da Envoltória e do Sistema de Iluminação: Simular com o sistema de condicionamento de ar especificado para o modelo do edifício de referência, de acordo com o nível de eficiência energética pretendido; Etiquetas Parciais da Envoltória e do Sistema de Condicionamento de ar: Simular com o sistema de iluminação especificado para o modelo do edifício de referência, de acordo com o nível de eficiência energética pretendido. 70

71 RTQ-C Método de Simulação Pontuação Total (PT) de edifícios totalmente simulados Edifícios condicionados avaliados completamente pelo método da simulação poderão receber a ENCE Geral e o ponto de bonificação apenas quando esta não estiver presente na simulação. A Pontuação Total é calculada pelo equivalente numérico obtido da simulação de acordo com o nível de eficiência atendido mais as bonificações. A classificação final é obtida pela tabela de classificação geral, como no método prescritivo. 71

72 RTQ-C Método de Simulação Ambientes naturalmente ventilados ou não condicionados É obrigatório comprovar por simulação que o ambiente interno das áreas não condicionadas proporciona temperaturas dentro da zona de conforto durante um percentual das horas ocupadas. O equivalente numérico obtido, de acordo com POC, é usado na equação para o cálculo do número de pontos para classificação geral. 72

73 S3E Simulador de Eficiência Energética em Edificação Ferramenta WEB gratuita. Desenvolvimento convênio Ministério de Minas e Energia/LabEEE. Auxiliar no processo de obtenção da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia através do método de simulação. Auxiliar arquitetos, engenheiros edificações mais eficientes. Disponível em: e projetistas no desenvolvimento de 73

74 S3E Criação do modelo Arquivo climático 74

75 S3E Envoltória Geometria Orientação Sombreamento 75

76 S3E Envoltória Aberturas - PAF Edição avançada: PAF diferentes por fachada 76

77 S3E Envoltória Componentes construtivos: Janela Parede externa Cobertura Piso entre andares Piso térreo Parede interna Abertura zenital 77

78 S3E Envoltória Componentes construtivos: Absortância das superfícies externas 78

79 S3E Envoltória Componentes construtivos 79

80 S3E Envoltória Componentes construtivos 80

81 S3E Envoltória Componentes construtivos 81

82 S3E Iluminação e ganhos Iluminação Ocupação Equipamentos Infiltração de ar 82

83 S3E Iluminação e ganhos Padrão de uso Iluminação 83

84 S3E Iluminação e ganhos Padrão de uso Ocupação Domingo e feriados: desocupado 84

85 S3E Iluminação e ganhos Padrão de uso Equipamentos 85

86 S3E Condicionamento de ar Capacidade Características principais refrigeração e aquecimento Renovação de ar 86

87 S3E Condicionamento de ar Edição avançada: Tipos de sistemas de climatização