Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de Edifícios NZEB. Miguel Cavique

Transcrição

1 Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de Edifícios NZEB Lisboa, 16 de Outubro de 2014

2 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. 2

3 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 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 3

4 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 Projecto Projecto Vector {Y} o que se pretende obter? Vector {X} como se pretende obter? Realidade idealizada Requisitos Funcionais Parâmetros Projecto Realidade física Domínio RF Domínio PP Domínio Funcional Domínio Físico 4

5 2- O que se pretende alcançar? - O que se pretende alcançar? Um edifício de serviços NZEB -Edifício residencial carga externa é a mais significativa; -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. 5

6 3- O edifício modelado Edifício localizado em Lisboa; m 2 distribuído por 3 pisos; Teve certificação energética em 2012; Levantados os vários equipamentos e perfis de consumo; Medidos os consumos de globais e os de AVAC; Certificado na classe D; Cargas sem ar novo: Arrefecimento: 136 kw; 65 W/m 2 Aquecimento: 50 kw; 22 W/m 2 6

7 Características de ocupação: 15 m 2 por pessoa 147 pessoas; 30 m 3 /h de ar novo por pessoa 13 W/m 2 para iluminação para 500 lux; 19 W/m 2 de equipamento de escritórios, com um total de 48 W/m 2 de equipamento de escritório e hospitalar. 3- O edifício modelado Valores em Equip. Equip. Total Outros (elev. ilum. kwh/ano Iluminação escritório hospitar Equip. AVAC exterior) Total Base facturas Simulação real

8 4- Parâmetros usados na decomposição - Arquitectura e uso do edifício: - Inércia; - Envolvente; - Cargas internas; - Sistemas energéticos (AVAC); - Iremos abordar: - Redução das cargas internas; - Melhorias no AVAC; - Produção fotovoltaica. - Produção local de energia. 8

9 RF 0.3: Reduzir o consumo de energia no edifício PP 0.3: Edifício com sistemas adequados RF 1.1: Adequar a inércia do edifício RF 1.2: Ajustar características da envolvente do edifício RF 1.3: Reduzir a carga interna RF 1.4: Reduzir o consumo de energia dos sistemas RF 1.5: Produzir energia localmente de modo eficiente PP 1.1: Inércia do edifício PP 1.2: Envolvente do edifício PP 1.3: Baixas cargas internas PP 1.4: Eficiência dos sistemas energéticos PP 1.5: Sistemas locais de produção de energia RF 2.1: Definir a massa do edifício RF 2.2: Adequar as trocas pela envolvente opaca RF 2.3: Adequar os ganhos solares RF 2.4: Reduzir a ocupação RF 2.5: Reduzir a carga dos equipamentos RF 2.6: Reduzir o consumo do sistema de iluminação RF 2.7: Reduzir a carga de ar novo RF 2.8: Reduzir consumo do sistema de potência RF 2.9: Reduzir consumo no sistema de AQS RF 2.10: Reduzir consumo do sistema AVAC RF 2.11: Aproveitar recursos renováveis RF 2.12: Geração combinada de energia RF 2.13: Gerar energia por outros sistemas PP 2.1: Massa por unidade de superfície PP 2.2: Coeficiente transmissã o de calor PP 2.3: Fracção solar dos envidraçad os PP 2.4: Número de pessoas PP 2.5: Eficiência dos equipamen tos interiores PP 2.6: Eficiência do sistema de iluminação PP 2.7: Caudal de ar novo PP 2.8: Eficiência do sistema de potência PP 2.9: Eficiência do sistema de AQS PP 2.10: Eficiência do sistema de AVAC PP 2.11: Sistemas renováveis PP 2.12: Cogeração PP 2.13: Outros sistemas 9

10 4- Parâmetros de AVAC Onde podemos poupar energia? - Redes; - Chillers; - UTAs; -VCs... Onde mais? Avaliar o processo de decomposição. 10

11 4- Parâmetros de AVAC 11

12 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC O sistema modelado: Ch+rec Bomba calor UTAN recuperador estático + - Ventiloconvectores + - Salar 12

13 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC Parâmetros avaliados em dois níveis (0, 1) - Ventilação controlada (DCV); - Caudal de água variável (VWF); - Eficiência do motor (EFF); - 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); -Tipo de controlo do caudal de água (WFCT); - Temperatura de evaporação (EVT); - Eficiência do chiller (EER); - Recuperação parcial no chiller (CHR); - Diferença de temperatura no circuito de água(wdt); - Velocidade variável no ventiloconvector (FCVS). 13

14 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -DCV, ou ventilação controlada(dcv): 0- caudal constante; 1- caudal variável Ventilador e rede Controlo de caudal- E α Q 3 (?) Pressure 8 6 Pressure Flow Flow 14

15 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -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 Q Pressure 8 6 Pressure Flow Flow 15

16 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -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 (WFCT): 0:Pressão constante; 1:pressão estimada; Há vantagens acessórias na utilização de válvulas de duas vias 16

17 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC - Eficiência de motores e de bombas (EFF): 0: EFF2; 1:EFF1 (mais eficiente) 0,95 Eficiência do motor 0,9 Efficiency 0,85 0,8 0,75 0, Shaft power 17

18 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC - 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. Efficiency Recuperador de calor de placas 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Dry bulb outdoor air temperature 18

19 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -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: m 3 /h com perda de carga de 760 Pa; reduzida para 610 Pa; Caudal de ar no circuito de extracção: m 3 /h com perda de carga de 360 Pa; reduzida para 260 Pa. 19

20 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -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 kpa em aquecimento; reduzido para 28 e 38 kpa; - Circuito dos VCs: 58 kpa em arrefecimento; 56 kpa em aquecimento; reduzido para 40 e 38 kpa; - Sistema de aquecimento parado de 1 de Junho a 30 de Setembro. 20

21 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC - 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): 0: metade da eficiência do ciclo de Carnot 1:10% melhorado 21

22 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -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. Recup. sensível Ch+Rec 22

23 5- Análise paramétrica do consumo em AVAC -Ventiloconvectores de velocidade variável (FCVS): 0: com velocidade constante; 1: com VCs ECDC Percentage of electrical energy 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Relação entre a energia de um VC ECDC/ VC comum 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Percentage of cooling load of the fan-coil 23

24 6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC Design Builder O diagrama do programa: 1- DB cargas internas (inferiores às do modelo real) ; 2- O programa gera as 3x2 12 (12.288) resultados; 3- O RSM (response surface method) avalia os parâmetros. Reading data *.xls Combinatory Generator Matlab Workspace Energy Evaluation AHU fans AHU coil Ducts and tubes AHU pumps Fan-coil pumps Chiller Fan-coils fans Avaliar as implicações cruzadas dos parâmetros Output of results *.txt *.xls RSM Matlab Workspace 24

25 6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC - A implicação paramétrica: 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% 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% - DCV e VCs com inverter são os parâmetros mais importantes. 25

26 6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC - Utiliza 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 p p p cada parâmetro; Y = φ (X) = bn + bn.x + bn.x.x - São apresentados os inteiros dos valores divididos por 10 5 de modo a apresentar-se apenas os mais significativos. i= 1 i= 1 j> i li 0 i i i,j i j 26

27 6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC - Os coeficientes b do ajustamento de mínimos quadrados: DCV VWF AHEX EFF DPRA DPRW AFCT WFCT EVT EER CHR WDT FCVS DCV Demand Control Ventilation VWF -2 1 Variable Water Flow AHEX Air Handling Heat Exchanger EFF Motor Efficiency DPRA 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 Evaporator Temperature EER -17 Chiller EER CHR -3 Chiller Partial Recovery WDT 23-36WaterDT FCVS -132Fan-CoilVariableSpeed 27

28 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); - Equipamentos mais eficientes (LCD, computadores). O que é possível obter? Equip. Equip. Total Outros (elev. Ilum. Valores em kwh/ano Iluminação escritório hospitar Equip. AVAC exterior) Total Base facturas Simulação real Boa ilum equip esc (Pior AVAC) Boa ilum equip esc (Melhor AVAC)

29 7- Uma possibilidade de NZEB - 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% - Rendimento de painéis poli-cristalinos com concentradores: 47% 29

30 7- Uma possibilidade de NZEB - Utilização de painéis fotovoltaicos - Com uma área disponível de cerca de 630 m 2 - Usando painéis de gálio no terraço 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: Equip escritório Equip hospitar Total Equip AVAC Outros (elev ilum exterior) Valores em kwh/ano Iluminação Total Fotovoltaico Facturas Boa ilum equip esc (Melhor AVAC)

31 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. 31

32 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. - Em AVAC ponderar bem a utilização: - Aumento da temperatura de evaporação; - Aumento das diferenças de temperatura. 32

33 Obrigado pela vossa atenção 33