O USO DA SIMULAÇÃO NO PROCESSO DE AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS COMERCIAIS

Transcrição

1 Voltar O USO DA SIMULAÇÃO NO PROCESSO DE AVALIAÇÃO DO NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS COMERCIAIS Autores: LOPES, M.N.; CARLO, J.C; MELO, A.P.; LAMBERTS, R. Resumo Este artigo apresenta a avaliação do nível de eficiência energética de uma tipologia de edifícios de escritório de acordo com o Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos. Adotou-se o método da simulação para avaliar o nível alcançado, através do programa computacional EnergyPlus. A tipologia adotada possui 6 pavimentos com um total de área construída de 1.201,5 m 2, e seis alternativas contendo diferentes medidas de conservação de energia aplicadas na envoltória e no sistema de condicionamento de ar foram simuladas e comparadas com um modelo de referência do regulamento. Os resultados mostram um consumo referencial para nível de eficiência A de 116,16 kwh/m²/ano, e que duas das seis alternativas alcançaram a eficiência desejada, com 114,05 kwh/m²/ano e 115,61 kwh/m²/ano. Observou-se como a simulação pode ser usada para a tomada de decisões no processo de projeto, indicando melhorias progressivas para obter maiores níveis de eficiência através de medidas de conservação de energia isoladas ou combinadas. 1. Introdução No Brasil, assim como em vários países do mundo, a busca pela sustentabilidade chegou ao mercado da construção civil e está presente no projeto e construção de algumas edificações. Buscando promover iniciativas como estas foram criadas as certificações e regulamentações que buscam qualificar as edificações conforme critérios de sustentabilidade. A eficiência energética é um dos principais critérios considerados nos processos de certificação e/ou etiquetagem de edificações. O governo brasileiro, buscando promover a construção de edificações mais eficientes energeticamente, aprovou sob a Portaria de n o 53 no dia 27 de Fevereiro de 2009 o Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (MME, 2009), como parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem voltado para edifícios. Através desta etiquetagem são avaliados os níveis de eficiência energética da envoltória da edificação, do sistema de iluminação e do sistema de condicionamento de ar. A ENCE (Etiqueta Nacional de Conservação de Energia) indica o nível de eficiência energética destes sistemas, ou dos edifícios, ao classificá-los de A (mais eficiente) a E (menos eficiente). O nível de eficiência da edificação, segundo definido pelo Regulamento brasileiro, pode ser determinado por um método prescritivo, ou alternativamente, por um método de simulação termo-energética. Neste artigo, o método de simulação é descrito e alguns casos são analisados buscando ilustrar o potencial de tal ferramenta na avaliação da eficiência energética de edificações. A simulação pode ser empregada para avaliar o desempenho das características construtivas da edificação, como por exemplo, o tipo de vidro empregado, ou o uso de brises, que poderão levar à redução da carga térmica da edificação e, conseqüentemente, do consumo de energia do sistema de condicionamento de ar. A simulação permite ainda avaliar o consumo de energia de diversos tipos de

2 sistemas de condicionamento de ar e iluminação, sendo assim bastante útil durante o projeto destes sistemas. Este artigo discute ainda os parâmetros de eficiência energética envolvendo os requisitos do sistema de condicionamento de ar pelo método de simulação do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifício Comerciais, de Serviços e Públicos. 2. O Regulamento Técnico para Etiquetagem de Eficiência Energética O Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifício Comerciais, de Serviços e Públicos apresenta seis capítulos: definições, introdução, envoltória, sistema de iluminação, sistema de condicionamento de ar e método de simulação (MME, 2009). No decorrer do artigo este Regulamento Técnico será referenciado pela sigla RTQ. A introdução do RTQ (capítulo 2) apresenta os parâmetros gerais para obtenção de uma pontuação em que o nível de eficiência é identificado. Inclui a unificação dos níveis de eficiência parciais em um nível de classificação geral para o edifício, os pré-requisitos obrigatórios e as bonificações que podem elevar a pontuação e, portanto, o nível de eficiência energética. Os requisitos principais são divididos em envoltória, sistema de iluminação e sistema de condicionamento de ar, com pesos de 30%, 30% e 40%, respectivamente. O nível de eficiência geral do edifício é obtido por uma equação que considera, além dos níveis de eficiência dos sistemas citados e seus respectivos pesos, as áreas de ambientes condicionados e não condicionados. A classificação da eficiência da envoltória (capítulo 3 do RTQ) é definida, pelo método prescritivo, através de um indicador de consumo obtido através de uma equação específica de acordo com a cidade e a Zona Bioclimática onde o edifício está inserido. Esta equação considera parâmetros como forma da edificação, área de aberturas (janelas), fator de calor solar dos vidros, sombreamento vertical e horizontal das aberturas. Existem pré-requisitos para iluminação zenital e para os componentes opacos da edificação (propriedades térmicas das paredes e coberturas, tais como transmitância térmica e absortância solar). A eficiência do sistema de iluminação (capítulo 4 do RTQ) baseia-se na densidade de potência instalada pela área do ambiente. Depende do projeto luminotécnico, sendo que a densidade final para cada 100 lux de iluminância no plano de trabalho é tabelada de acordo com as características do ambiente (índice de ambiente) e com o nível de eficiência desejado. Há limites de DPI (Densidade de Potência de Iluminação relativa, em W/m²/100lux) para eficiências de A à D. Pré-requisitos que atendem a divisão de circuitos de acionamento, a contribuição da luz natural e a automação, são também exigidos. A eficiência do sistema de condicionamento de ar pelo método prescritivo (capítulo 5 do RTQ) é avaliada de acordo com o Programa de Etiquetagem já existente para condicionadores de ar individuais de pequeno porte, ou de acordo com parâmetros baseados na Standard 90.1 da ASHRAE (2007). No caso em que o sistema de condicionamento de ar é composto por equipamentos com eficiência avaliada pelo Programa Brasileiro de Etiquetagem-PBE/INMETRO, o nível de eficiência do sistema será definido pelo nível de eficiência do equipamento segundo a sua etiqueta. Para a obtenção do nível A o sistema além de ser composto por equipamentos com etiqueta A deverá ter suas unidades

3 condensadoras sombreadas permanentemente e com ventilação adequada. Havendo equipamentos com etiquetas distintas na mesma edificação o nível de eficiência do sistema deverá ser obtido através da ponderação da eficiência de cada equipamento pela respectiva área de piso do ambiente climatizado pelo equipamento. O RTQ estabelece que se a área condicionada da edificação apresentar carga térmica superior a 350 kw (100 TR) deve-se adotar um sistema de condicionamento de ar central ou provar que sistemas individuais consomem menos energia para as condições de uso previstas para a edificação. No caso em que o sistema de condicionamento de ar é composto por equipamentos não etiquetados pelo PBE/INMETRO (sistemas centrais, por exemplo) o nível de eficiência do sistema será definido pelo método prescritivo em função da eficiência dos equipamentos que compõe o sistema. O RTQ apresenta tabelas com a eficiência mínima requerida dos equipamentos (condicionadores de expansão direta, resfriadores de líquidos, torres de resfriamento e condensadores) para classificação do sistema nos níveis A, B, C ou D. Estas tabelas foram baseadas nas versões cronológicas da Standard 90.1 da ASHRAE (2007). O nível de eficiência E é determinado quando o sistema não se enquadra nos demais níveis. Para a obtenção do nível A, o sistema de condicionamento de ar deve atender ainda aos seguintes parâmetros: controle individual de temperatura por zona térmica; termostatos com deadband no mínimo igual a 3 C; controle que evite o emprego inadequado de aquecimento suplementar por resistência elétrica nas bombas de calor controle que evite o funcionamento simultâneo de aquecimento e refrigeração; automação que minimize o uso do sistema durante os períodos sem ocupação; divisão das zonas térmicas seguindo o padrão de operação e ocupação dos ambientes; dimensionamento dos ventiladores respeitando os limites de potência descritos na Tab. 5.9 do RTQ comercial; automação de sistemas de ar externo de áreas de alta densidade de ocupação emprego de ciclo economizador quando apresentar viabilidade técnica e econômica; uso de registros (dampers) nos sistemas de exaustão que fechem automaticamente quando estes sistemas não se encontram em operação; acionamento otimizado dos ventiladores com vazão superior a m 3 /h; emprego de recuperadores de calor nos sistemas com altas taxas de renovação; bombas hidráulicas com potência superior a 7,5 kw devem apresentar velocidade variável se operam em conjunto com mais de 3 válvulas de controle; controle de reajuste da temperatura de fornecimento da água em função da carga da edificação ou da temperatura do ar externo

4 sistema de controle da velocidade do ventilador dos equipamentos de rejeição de calor (torres de resfriamento, condensadores, condensadores evaporativos) quando sua potência for superior a 5,6 kw. Há dois métodos de avaliação para etiquetagem previstos no RTQ: o método prescritivo e o método de simulação. Os capítulos de 2 a 5 referem-se ao método prescritivo principalmente, enquanto o capítulo 6 descreve o método de simulação. A seguir o método de simulação é apresentado para o caso em que o edifício é condicionado artificialmente. O método da simulação 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. Portanto, 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). Deve ser demonstrado que o consumo de energia do projeto proposto é igual ou menor que o consumo do edifício de referência. O dois modelos (real e de referência) devem ser simulados com o mesmo programa computacional, arquivo climático, geometria da edificação, orientação da edificação com relação ao norte geográfico, padrão de uso e operação dos sistemas, densidade de carga de equipamentos, padrão de ocupação e metabolismo dos ocupantes. O sistema de condicionamento de ar deve ser igual nos dois modelos, exceto as eficiências dos componentes e parâmetros de projeto. Tais eficiências devem ser as reais no modelo do edifício real e para o modelo de referência devem ser obtidas nas Tabelas 5.1 a 5.8 do RTQ de acordo com o nível de eficiência pretendido. A envoltória no modelo de referência deve ser modelada sempre com vidro simples espessura 3 mm (FS=0,87), sem proteções solares, com materiais que proporcionem as transmitâncias e absortâncias térmicas limites (máximas) indicadas nos pré-requisitos do método prescritivo para o nível de eficiência desejado, e apresentar a maior área possível de aberturas verticais envidraçadas (janelas) que resulte no nível de eficiência desejado quando empregada a correspondente equação do indicador de consumo (método prescritivo) para a respectiva Zona Bioclimática. O sistema de iluminação no modelo de referência também deve ser modelado com as densidades máximas para cada nível de eficiência desejado, considerando a iluminância requerida para cada ambiente de acordo com a NBR 5413 Iluminância de Interiores (ABNT, 1992). Já o sistema de condicionamento de ar, no modelo de referência, deve empregar equipamentos com eficiência de acordo com as tabelas do item 5 do RTQ em função do nível de classificação pretendido. 3. Metodologia Uma poderosa ferramenta para avaliação do desempenho energético de edificações é a simulação, que consiste no emprego de modelos matemáticos que modelam o comportamento térmico da edificação, bem como o funcionamento e consumo dos sistemas nela instalados, tais como os sistemas de condicionamento de ar. Através da simulação, o comportamento de uma edificação pode ser analisado ainda em sua fase de projeto, permitindo verificar a influência de qualquer alteração na geometria, nas características construtivas ou nos sistemas empregados. Muitos programas computacionais, nacionais e internacionais, foram

5 desenvolvidos para o cálculo de cargas térmicas, avaliação das condições de conforto térmico e desempenho energético de edificações Programa de simulação computacional O RTQ exige que o programa computacional utilizado para avaliação do nível de eficiência energética permita a análise do consumo de energia modelando o comportamento da edificação em 8760 horas por ano. O programa deve ser validado pela ASHRAE Standard 140 (2004), e ser capaz de modelar inércia térmica e também variações horárias de ocupação, potência de iluminação e equipamentos definidos separadamente para cada dia da semana e feriados. O programa deve permitir a simulação dos sistemas de condicionamento de ar listados no apêndice G da ASHRAE 90.1, bem como a modelagem de multi-zonas térmicas, e ser capaz de dimensionar a capacidade do sistema de condicionamento de ar. Os resultados da simulação devem ser apresentados através de relatórios horários do uso final de energia. Para o desenvolvimento deste artigo foi adotado o programa computacional EnergyPlus (versão 2.2), que é desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos em cooperação com diversos centros de pesquisa ao redor do mundo. Este programa realiza, através do método do balanço térmico, o cálculo da carga térmica em cada zona térmica em intervalos de 15 minutos ou até menos conforme definido pelo usuário. Considera as cargas internas de iluminação, equipamentos e ocupação, as características construtivas da edificação (dimensões, espessuras e propriedades dos materiais), bem como as características climáticas do local onde a edificação será construída. Os programas de simulação termo-energética reproduzem as condições climáticas através de arquivos representativos do clima de determinada região. O EnergyPlus, por exemplo, necessita de um arquivo climático com registro horário de dados de temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, velocidade e direção do vento, etc., para o período de um ano, ou seja, 8760 horas. Para as simulações deste artigo foi utilizado o arquivo climático da cidade de Florianópolis do tipo TRY (Test Referency Year). Este arquivo inclui dados desta região e representa um ano climático médio dentro de uma série de 10 anos Simulação Um edifício comercial de escritórios de geometria retangular simples foi empregado para a realização das simulações. Este edifício possui 1 subsolo (estacionamento), 1 pavimento térreo, 3 pavimentos tipo e 1 pavimento cobertura. Cada pavimento tem 26,7 metros de comprimento, 7,5 metros de largura e altura igual a 2,5 metros, resultando em uma área total construída de 1.201,5 m 2, sendo que 873,75m 2 são de área climatizada. A Fig.1 ilustra a edificação sem o subsolo, e indica a orientação solar.

6 Figura 1 - Tipologia volumétrica adotada para o edifício de escritórios. Para reduzir o tempo de processamento computacional, o pavimento tipo foi inserido uma única vez em uma altura média entre o pavimento térreo e a cobertura, representando assim uma condição média para os coeficientes de convecção externa nas fachadas. O programa EnergyPlus permite tal procedimento através da inserção de um fator de multiplicação, que neste caso é igual a 3. Com base nesta geometria foi criado primeiramente o modelo de referência para o nível de eficiência desejado (nível A). Seguindo o procedimento descrito no RTQ, este modelo se caracteriza por apresentar: vidros claros com espessura 3 mm 1 com fator de calor igual a 0,87; ausência de proteções solares nas aberturas (janelas); cobertura cujas propriedades e espessuras dos materiais proporcionam um valor de transmitância da cobertura (U cob ) igual a 1,00 W/m 2.K (pré-requisito da envoltória para nível A); paredes externas cujas propriedades e espessuras dos materiais proporcionam um valor de transmitância térmica das paredes externas (U par ) igual a 3,7 W/m².K (limite máximo exigido para nível A correspondente a Zona Bioclimática 3 onde se encontra a cidade de Florianópolis); materiais de revestimento externo das paredes e da cobertura com absortâncias solares (α par e α cob, respectivamente) iguais a 0,40 (limite máximo definido para a Zona Bioclimática 3 para nível A); percentual de área de abertura (janelas) na fachada-paf T igual a 17%, que representa a maior área possível de aberturas verticais envidraçadas que ainda resulta no nível de eficiência A quando empregada a correspondente equação do indicador de consumo (método prescritivo) para Zona Bioclimática 3. Já a envoltória do modelo real foi criada com base nas características de projeto da edificação mantendo a mesma tipologia e respeitando os pré-requisitos de transmitâncias e absortâncias, a saber: 1 Sabe-se que esta espessura não é permitida pelas legislações municipais para grandes áreas envidraçadas, como é o caso do modelo 1. Os parâmetros aqui adotados são teóricos, apenas para a análise da simulação.

7 vidros refletivos com espessura 11 mm com fator de calor igual a 0,33; cobertura cujas propriedades e espessuras dos materiais proporcionam um valor de transmitância da cobertura (U cob ) igual a 1,00 W/m 2.K ; paredes externas cujas propriedades e espessuras dos materiais proporcionam um valor de transmitância térmica das paredes externas (U par ) igual a 1,57 W/m².K ; materiais de revestimento externo das paredes e da cobertura com absortâncias solares (α par e α cob, respectivamente) iguais a 0,30 correspondentes a cores claras; percentual de área de abertura (janelas) na fachada-paf T igual a 54%, sendo 60% nas menores fachadas e 52% nas maiores. Figura 2 Envoltória do Modelo de Referência Figura 3 Envoltória do Modelo Real sem brises Figura 4 Envoltória do Modelo Real com brises As figuras 2 a 4 ilustram as três diferentes envoltórias utilizadas nos modelos simulados.

8 Em ambos os modelos (de referência e real) foram utilizados os valores de densidade de potência de iluminação (DPI) iguais a 8,8 W/m 2 para as áreas de escritório e 5,85 W/m 2 para as circulações. Estes valores de densidade de potência estão relacionados às iluminâncias exigidas para estes ambientes segundo a NBR 5413 (500lux para os escritórios e 300 lux para as circulações), e aos valores limites apresentados no RTQ para o nível de eficiência A. O sistema de condicionamento de ar adotado em ambos os modelos é do tipo expansão indireta (água gelada) que utiliza resfriador de líquido condensação à água, com bomba hidráulica de vazão constante no circuito primário e de vazão variável no circuito secundário. A bomba de água de condensação é de vazão constante e a torre de resfriamento possui ventilador de dupla velocidade. Em cada pavimento há um climatizador do tipo fan-coil que atende através de um sistema de vazão de ar variável (VAV) as duas zonas térmicas contidas no pavimento. As pressões empregadas para as bombas do circuito primário, secundário e de condensação foram 15 mca, 35 mca e 25 mca, respectivamente. A temperatura de saída do resfriador foi definida igual a 6,7 C, enquanto a temperatura de entrada da água de condensação no resfriador é de 29 C. A pressão dos ventiladores dos climatizadores foi definida em 25 mmca, com eficiência total do ventilador igual a 70% e eficiência do motor elétrico igual a 90%. A temperatura de saída do climatizador foi definida igual a 13 C. Foi utilizado a opção autosize para que o programa dimensione as vazões de ar dos climatizadores e das caixas VAV, a vazão da água gelada e a vazão da água de condensação, bem como, as capacidades da torre, do chiller e dos climatizadores. O sistema controla a vazão de ar externo automaticamente em função da ocupação dos ambientes, considerando 27 m 3 /h.pessoa. O sistema não apresenta aquecimento e a temperatura de setpoint é 24 o C para resfriamento. Os requisitos exigidos para que o sistema de condicionamento de ar obtenha nível de eficiência A foram aplicados no programa EnergyPlus conforme detalhado no anexo deste artigo. O modelo real foi inicialmente definido sem o emprego de proteções nas aberturas (ausência de brises, ou seja, AVS=0), com um sistema de condicionamento de ar composto por um único resfriador com COP=3,8 e ausência de ciclo economizador nos climatizadores. Tal modelo foi designado como modelo real alternativa 1. Outros cinco modelos reais foram elaborados, e designados como alternativas 2 à 6. A Tabela 1 apresenta o resumo das propriedades adotadas nos dois modelos (de referência e real), bem como as alternativas desenvolvidas sobre o modelo real. As alternativas do modelo real apresentam algumas medidas de conservação de energia (MCE) visando elevar o nível de eficiência da edificação. Estas alternativas foram simuladas e o seu consumo foi comparado ao consumo do modelo de referência para verificar quantas e quais alternativas podem ser consideradas nível A. As MCE foram: proteção solar horizontal nas janelas (brise que proporciona AVS=30 ), maior eficiência do resfriador de líquido (maior COP), existência de ciclo economizador baseado na temperatura (opera quando a temperatura externa é menor do que 22 C) e emprego de dois resfriadores de líquido (um de 20 TR e outro de 15TR).

9 Tabela 1 Propriedades e características básicas dos modelos simulados. Propriedade Modelo Real Modelo de Referência (nível A) U cob 1,00 W/m 2.K 1,00 W/m 2.K U par 1,57 W/m².K 3,7 W/m².K α par ; α cob 0,3 0,4 PAF T 54% 17% Fator de calor solar dos vidros DPI dos escritórios (500 lx) DPI das circulações (300 lx) Temperatura de setpoint 0,33 0,87 8,8 W/m 2 8,8 W/m 2 5,85 W/m 2 5,85 W/m 2 24ºC 24ºC Medidas de Conservação de Energia do modelo real Alternativa AVS o 30 o 30 o 30 o 0,0 COP (W/W) 3,80 4,45 4,45 4,45 4,45 5,00 4,45 Ciclo economizador não não não sim não não não* N o de resfriadores *O ciclo economizador não foi empregado no modelo de referência pois o custo/benefício não se demonstrou favorável. Em todos os modelos o sistema de ar condicionado opera de segunda a sexta-feira das 7 às 18 horas, durante o ano todo. Os perfis de ocupação, acionamento de iluminação e dos equipamentos são típicos de edifícios comerciais de escritórios. 4. Resultados e Discussões As simulações do modelo de referência e as alternativas do modelo real resultaram em consumos anuais de eletricidade de acordo com a Tabela 2. Das alternativas simuladas, foram encontradas duas que alcançam níveis A de

10 eficiência energética: as alternativas 5 e 6, pois apresentam consumos menores que 116,16 kwh/m²/ano do modelo de referência. Para as demais alternativas (1 a 4) podemos afirmar que o nível de eficiência é inferior a A, mas como os demais modelos de referência (B, C e D) não foram modelados e simulados, não há como afirmar exatamente em quais destes níveis de eficiência se encontram classificados. Assim, embora as alternativas 3 e 4 apresentem consumos próximos do limite do nível A, não há garantias de que realmente sejam nível B. Tabela 2 Consumos e níveis de eficiência encontrados com o método de simulação. Consumo Variação Nível de Modelo Descrição (kwh/m²/ano) (%) Eficiência Referência Nível A - RTQ 116,16 0 A sem brise Real sem ciclo economizador +11,4 Inferior a A Alternativa 1 1 resfriador COP 3,80 129,43 Real Alternativa 2 Real Alternativa 3 Real Alternativa 4 Real Alternativa 5 Real Alternativa 6 sem brise sem ciclo economizador 1 resfriador COP 4,45 123,62 com brise sem ciclo economizador 1 resfriador COP 4,45 118,98 com brise com ciclo economizador 1 resfriador COP 4,45 119,04 com brise sem ciclo economizador 2 resfriador COP 4,45 114,05 com brise sem ciclo economizador 1 resfriador COP 5,00 115,61 +6,4 Inferior a A +2,4 Inferior a A +2,5 Inferior a A -1,8 A -0,5 A Pelos resultados, percebe-se como a combinação das características do edifício é essencial para a elevação do seu nível de eficiência. A elevação do COP do resfriador da alternativa 1 para a alternativa 2 (3,80 W/W para 4,45 W/W) reduziu o consumo de energia em 5,81 kwh/m²/ano e a inserção da proteção solar (brise) na alternativa 3 reduziu em 4,64 kwh/m²/ano quando comparada com a alternativa 2. Já o emprego de ciclo economizador nos climatizadores não apresentou nenhuma melhoria no consumo de energia, visto que os resultados das alternativas 3 e 4 são praticamente iguais. As alternativas que alcançaram níveis de eficiência A foram as alternativas 5 e 6, com consumos de 114,05 kwh/m²/ano e 115,61 kwh/m²/ano, respectivamente. Na alternativa 5, o emprego de dois resfriadores com COP igual a 4,45, resultou em uma redução de 4,93 kwh/m²/ano em relação a alternativa 3 que possui um único resfriador. A obtenção do nível A com a utilização de um único resfriador somente foi possível com o aumento do COP de 4,45 para 5,00 (alternativa 6). Através dos modelos elaborados se buscou ilustrar duas formas de otimizar o consumo de energia de uma edificação, uma atuando nas características construtivas e outra atuando nas características do sistema de condicionamento

11 de ar. Outra possível forma seria atuar no sistema de iluminação, a qual não foi abordada no presente estudo. Quando atuamos nas características construtivas da edificação visando a otimização do consumo de energia, estamos na verdade reduzindo a sua carga térmica, foi o que conseguimos quando introduzimos proteções solares (brises) para os vidros. O potencial de intervenção no edifício é ilimitado, podendo ser inúmeras as combinações envolvendo a envoltória (transmitâncias e absortâncias de paredes e coberturas, área de vãos de iluminação zenital, área de aberturas verticais, tipos de vidros para aberturas zenitais e verticais, proteções solares, etc.). Todas as intervenções são válidas desde que alguns parâmetros básicos sejam comuns, como volume e geometria do edifício, padrão de uso, cargas de equipamentos (computadores, elevadores, etc.), e tipo de condicionamento de ar, dentre outros. A simulação permite avaliar o ganho de cada estratégia que possa ser objeto de estudo por parte da equipe de projeto da edificação, e assim possibilitar uma análise de custo/benefício para adoção das estratégias mais viáveis. Da mesma forma, o projeto do sistema de condicionamento de ar também pode fazer uso da simulação para a avaliação do ganho de diversas estratégias. Neste artigo as estratégias analisadas para a melhoria da eficiência do sistema de condicionamento de ar foi o emprego de resfriadores mais eficientes, a utilização de ciclo economizador e o emprego de dois resfriadores em paralelo. Obviamente um resfriador com maior eficiência produz a mesma capacidade de refrigeração consumindo menos energia. O ciclo economizador é uma estratégia que consiste em fazer o climatizador tomar 100% do ar externo, ao invés do ar de retorno, quando as condições do ar externo são mais favoráveis do que as do ar de retorno. Tal estratégia será tanto mais eficaz quanto maior for a ocorrência desta situação durante a operação do sistema. De forma geral isso ocorre em edificações com altas taxas de geração interna de calor (muitas pessoas ou equipamentos, por exemplo) localizadas em locais de clima ameno, ou que operam durante a noite. Os resultados dos casos aqui simulados mostram que tal estratégia para a edificação em estudo não representa nenhuma melhoria na eficiência, pois a operação do sistema durante o dia em Florianópolis, com padrões usuais de geração de calor interna para escritórios, não proporciona muitas condições para a operação do ciclo economizador. O emprego de dois resfriadores resultou na melhoria da eficiência do sistema em virtude do comportamento da eficiência do resfriador quando em funcionamento em carga parcial. A eficiência dos resfriadores em geral cai quando o mesmo opera em carga parcial, sendo menos eficiente quanto menor for o valor desta carga parcial. Durante o funcionamento anual de um sistema ocorrerão muitos momentos em que a demanda de refrigeração é reduzida, o que representará uma carga parcial menor no caso de existir um único resfriador. Por exemplo, se a carga de pico do sistema é 100 TR, e tivermos operando com um único resfriador de 100 TR, no momento em que a demanda for 20 TR teremos uma carga parcial no resfriador de 20%. Mas se tivermos dois resfriadores de 50 TR cada, somente um estará operando em carga parcial de 40% durante o momento de demanda igual a 20 TR. A eficiência do resfriador operando em carga parcial de 40% será maior do que a do resfriador operando em carga parcial de 20%. Poderíamos reduzir ainda mais o consumo se o modelo com dois resfriadores fosse modelado com uma bomba hidráulica de água gelada para cada

12 resfriador, mas tal opção não foi adotada neste artigo porque o programa EnergyPlus não possui tal opção em seus modelos pré-definidos (templates). No desenvolvimento dos modelos para este artigo foi identificado que o item do regulamento (Características em comum para o Modelo do Edifício Real e de Referência) apresenta em seu último parágrafo, a exigência de que os parâmetros de projeto dos sistemas de condicionamento de ar não etiquetados pelo INMETRO (itens a exigidos para nível A) sejam modelados nos dois edifícios (real e de referência). No entanto, esta exigência deve ser aplicável somente ao edifício de referência, visto que o método de simulação visa juntamente garantir a flexibilidade de projeto para o modelo do edifício real. Assim, o projetista terá maior liberdade para escolher quais estratégias irá empregar em cada projeto. Esperamos que o item contenha, em breve, uma errata no texto do regulamento, sendo tais questões esclarecidas também no manual que acompanha o regulamento e que os avaliadores sejam alertados para tal fato. Neste artigo aplicamos o regulamento vigente e aplicamos os parâmetros exigidos para o sistema de condicionamento de ar tanto no modelo de referência quanto nos modelos reais. Como citado na metodologia, o anexo apresenta uma tabela detalhando como os itens a foram modelados no programa EnergyPlus. 5. Conclusões Neste artigo a realização de simulações termo-energéticas empregando o programa EnergyPlus permitiram constatar que a simulação é uma ferramenta muito útil na avaliação do nível de eficiência energética de uma edificação. A simulação pode ser empregada já na fase de projeto de uma edificação auxiliando o arquiteto na escolha e determinação das características construtivas da envoltória (materiais e espessuras das paredes e coberturas, cores externas, áreas de aberturas verticais, tipos de vidros para aberturas zenitais e verticais, proteções solares, etc.). Os projetistas dos sistemas de iluminação e de condicionamento de ar podem também utilizar a simulação na avaliação e definição das estratégias de conservação de energia em seus projetos. Melhores resultados são obtidos quando todos os envolvidos (arquiteto, projetistas, empreendedor e usuário) interagem deste o momento da concepção do projeto da edificação, pois muitas vezes algumas estratégias tornam-se impraticáveis em função de definições realizadas no início do processo. Os resultados apresentados neste artigo permitem concluir que as estratégias de conservação de energia podem apresentar maior ou menor influência em uma edificação, em função de suas características construtivas, de uso e do local onde a mesma se encontra. O resultado do consumo de energia obtido através da simulação é a quantificação do desempenho das estratégias analisadas de forma individual ou combinada. Diante de resultados de estratégias que resultam em um mesmo nível de eficiência energética, outros fatores podem ser empregados para a definição da solução a ser utilizada, por exemplo: custo, espaço disponível, etc. O método da simulação na etiquetagem brasileira de edificações, quando comparado ao método prescritivo, permite maior flexibilidade no projeto durante o processo de tomada de decisões. Tal flexibilidade se demonstrou maior para o projeto arquitetônico do que para o projeto do sistema de condicionamento de ar, para o caso específico da obtenção do nível de eficiência A. Uma pequena

13 alteração no RTQ poderá trazer maior flexibilidade também para o projeto do sistema de condicionamento de ar. Além dos potenciais verificados neste trabalho, o método da simulação no processo de etiquetagem brasileiro permite ainda avaliar os ganhos oriundos do emprego de outras medidas previstas nas bonificações do método prescritivo, tais como uso de energias renováveis, cogeração, entre outras. Referências ASHRAE - AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR- CONDITIONING ENGINEERS. ANSI/ASHRAE/IESNA. Standard : Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs. Atlanta, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Iluminância de interiores. ABNT: Rio de Janeiro, 13p., MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos, 2009, disponível em: < classe=1&seq_ato=1424 > Acesso em: 3 de março de 2009.

14 Anexo - Implementação dos requisitos a da RTQ no EnergyPlus neste trabalho. Item do RTQ Descrição Implementação no EnergyPlus Cálculo de carga térmica Controle de temperatura por zona Faixa de temperatura de controle Aquecimento suplementar Aquecimento e resfriamento Utilização da função autosize para dimensiomento do sistema de condicionamento de ar Definição das zonas térmicas adequadamente Definição da deadband através dos setpoints de aquecimento e resfriamento com diferença maior do que 3 C Não foi utilizado bomba de calor Escolha de sistema que não utiliza reaquecimento simultâneo Automação Definição do período de funcionamento dos sistemas através de schedules específicos Isolamento de zonas Definição de equipamentos e de períodos de funcionamento distintos (schedules) para zonas cuja operação não sejam simultâneas Controles e dimensionamento do sistema de ventilação Controles de sistemas de ventilação para áreas com altas taxas de ocupação Ciclo economizador Sistemas de exaustão Acionamento otimizado Verificar após se o dimensionamento realizado pelo programa resultou em valores dentro dos limites estabelecidos pela Tab. 5.9 do RTQ Utilização da definição da vazão de ar externo em função da ocupação (m3/s.pessoa), o que representa um sistema automatizado de controle O programa tem a opção de ciclo economizador por temperatura ou por entalpia. Os resultados dos modelos mostraram que tal sistema não proporcionou economia de energia para as características de uso, fontes de calor e clima em estudo. O requisito deve ser especificado no projeto e implementado durante a instalação. Os ventiladores dos modelos não apresentam vazão superior a l/s. Tal acionamento pode

15 Voltar ser simulado considerando que o ventilador é de velocidade variável Recuperação de calor Sistemas de vazão de líquido variável Isolamento de bombas Controles de reajuste da temperatura de água gelada e quente Geral - Equipamentos de rejeição de calor Controle de velocidade do ventilador As taxas de renovação dos modelos são inferiores aos valores nos quais o uso de recuperadores de calor são exigidos. Mas o programa possui opção para a simulação dos mesmos. A bomba do circuito secundário foi modelada com vazão variável, enquanto a bomba do circuito primário e de água de condensação foi com vazão constante. Na alternativa 5 com 2 resfriadores o isolamento de bombas não foi modelado pois a exigência se aplica somente caso as bombas tenham potência superior a 7,5 kw, e porque tal opção não se encontra disponível nos templates do EnergyPlus. Como nos modelos foi aplicado o item (vazão variável), o controle de reajuste não foi utilizado, conforme permite uma das exceções presente neste item. Mas o programa tem uma opção para reajuste baseado na temperatura do ar externo. Como a torre de resfriamento não foi especificada conforme Tab. 5.3 a 5.10 da RTQ, pois foi utilizada a opção autosize, o requisito deve ser cumprido O ventilador da torre foi modelado como de dupla velocidade.