Faculdade de Ciências Energia2020. Eficiência Energética precisa-se nos nossos Edifícios: Aplicação a Escolas Secundárias

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1 Faculdade de Ciências Energia2020 Eficiência Energética precisa-se nos nossos Edifícios: Aplicação a Escolas Secundárias

2 Introdução O processo de requalificação do parque escolar de ensino secundário que se encontra actualmente em curso constitui uma oportunidade única de modernização e melhoria das condições de trabalho de alunos, professores e funcionários. Esta requalificação engloba múltiplas áreas, desde a impermeabilização e reforço estrutural, até à adequação dos espaços lectivos às exigências resultantes das novas tecnologias de ensino. Em termos de controle de ambiente interior e sistemas energéticos existem vários níveis de intervenção e sistemas possíveis, sendo essencial identificar as opções adequadas, numa perspectiva custo benefício.

3 Introdução O contexto legislativo em que o processo de requalificação surge coloca desafios particulares à componente de sistemas energéticos. O pacote legislativo de transposição da directiva europeia sobre eficiência energética (directiva 91/2002, DL 78, 79 e 80) para o contexto português inclui uma componente de renovação e garantia de qualidade de ar interior que excede a prática corrente e pode implicar o recurso sistemático a sistemas de climatização e ventilação mecânica. Em Portugal, o contexto actual, caracteriza-se pela ausência de climatização na maioria dos edifícios escolares. Neste contexto, a aplicação da legislação nacional no processo de requalificação do parque escolar tenderá a resultar num aumento do consumo de energia.

4 Introdução Neste estudo faz-se análise comparativa de diferentes sistemas energéticos utilizados para garantir conforto interior das salas de aula. São estudados sistemas de climatização, ventilação, iluminação, bem como diferentes cenários de envolvente térmica que contribuem para o controle das condições interiores dos espaços lectivos. Partindo de uma correlação experimental entre desempenho em tarefas de aprendizagem e caudal de ar novo insuflado nos espaços lectivos, quantifica-se o potencial aumento de desempenho escolar devido à utilização de sistemas de ventilação e climatização. A quantificação do impacto global dos sistemas energéticos no desempenho do processo educativo permite uma análise custo benefício completa para sistemas de climatização de espaços lectivos.

5 Conforto Interior Conforto térmico Ausência de desconforto Sensação de bem estar físico e mental Mecanismos de auto-regulação estão em níveis mínimos de actividade Qualidade do ar interior Nível de CO 2 não superior a 1000ppm Humidade relativa entre os 30 e os 70% Ausência de maus odores Conforto lumínico Níveis de luminosidade adequados à actividade Norma EN ISO 7730

6 Desempenho/conforto O desempenho escolar é inferior quando não existem condições de conforto: Temperaturas elevadas ou reduzidas Ar viciado (caudal de ar novo insuficiente) Principais referências: Pawel Wargocki, Ph.D.; and David P. Wyon, Ph.D, 2006, Research report Effects of HVAC on students performance, ASHRAE Journal. Wyon, D.P. and P. Wargocki. 2006a. Room temperature effects on office work. In: Clements-Croome, D. (ed.) Creating the Productive Workplace, 2nd ed., London: Taylor & Francis. Olli Seppanen, William J Fisk, QH Lei, July 2006, Effect of Temperature on Task performance in office environment. Melissa Dell, Benjamin F. Jones, and Benjamin A. Olken, 2009, Temperature and Income: Reconciling New Cross-Sectional and Panel Estimates, American Economic Review Papers and Proceedings.

7 Desempenho/conforto Efeito da temperatura Olli Seppanen, William J Fisk, QH Lei, Effect of Temperature on Task performance in office environment, July 2006 Efeito do caudal de ar Pawel Wargocki, Ph.D.; and David P. Wyon, Ph.D, 2006, Research report Effects of HVAC on students performance, ASHRAE Journal.

8 Desempenho/conforto Correlação entre desempenho e caudal 7.4 % de potencial aumento de desempenho se o caudal de ar novo passar de 15 para 30 m 3 /h.ocupante Desempenho[%]= *(30-caudal)/15

9 Desempenho/conforto X Potencial aumento de desempenho Y Aumento de custos Ci Custo inicial Cf Custo final Inicial sem AVAC Desempenho 100-X 100 Custo anual por aluno O investimento é economicamente interessante sempre que: X>100*Y/Cf Ci Final com AVAC Cf=Ci+Y

10 Simulação dinâmica Design Builder Construção geométrica do modelo Energy Plus Motor de simulação integrada

11 Cenários estudados Para quatro climas representativos (Lisboa, Porto, Bragança e Beja) foram estudados os seguintes cenários: 1. AVAC: sim? 2. AVAC: qual? 3. Envolvente? 4. Iluminação?

12 Sistemas de climatização UTAN Unidade de tratamento de ar novo

13 Sistemas de climatização SVRF Sistema de volume de refrigerante variável

14 Modelo estudado Modelo simplificado de um pavilhão de uma escola Contempla as 4 orientações principais (Norte, Sul, Este e Oeste)

15 Resultados Conforto térmico e qualidade do ar interior - NATVENT Cerca de 60% do tempo a sala tem um caudal abaixo ao exigido pelo regulamento Durante 30% do tempo a sala está fora dos limites de temperatura recomendados

16 Resultados Conforto térmico e qualidade do ar interior - MECVENT Durante 40% (+10%) do tempo a sala está fora dos limites de temperatura recomendados Neste caso o caudal é o recomendado pelo regulamento

17 Resultados Conforto térmico e qualidade do ar interior - AVAC Apenas durante cerca de 6% das horas lectivas as temperaturas da sala estão fora do recomendado Neste caso o caudal é o recomendado pelo regulamento

18 Resultados Análise energética

19 Resultados Envolvente térmica A aplicação de isolamento térmico apresenta um payback superior a 20 anos A aplicação de sombreamento pelo exterior é mais vantajosa em Lisboa e Beja Payback da aplicação do sombreamento pelo exterior

20 Resultados Sistemas solares térmicos Instalações solares em escolas têm períodos de retorno do investimento inicial superiores ao normal por duas razões: Não são utilizados no período de maior benefício Têm custos de implementação a acima dos valores normais de mercado

21 Resultados Sistemas solares fotovoltaicos Lisboa Bragança Beja Porto produção fotovoltaica (kwh/ano) Classe EnergéIca sem PV B/B- B/B- B/B- B/B- Classe EnergéIca com PV A+ A+ A+ A+

22 Resultados Melhoria do desempenho O custo da obtenção de rendimento 100% utilizando AVAC é sempre inferior ao custo da obtenção deste rendimento sem AVAC

23 Resultados Melhoria do desempenho O potencial de aumento de rendimento é superior nos concelhos com climas mais extremos

24 Resultados Os custos de energia aumentam

25 Conclusões O nível de conforto nas escolas secundárias portuguesas actuais é reduzido O aumento de custos anuais por aluno devido à instalação de sistemas AVAC não é significativo tendo em conta o possível aumento de rendimento O sistema SVRF é o mais recomendado para este tipo de instalações: Mais económico Menor manutenção Menor custo de implementação A aplicação de isolamento térmico em concelhos com climas como o do Porto e Bragança é recomendável, também numa perspectiva económica Os sistemas de sombreamento exterior são fortemente recomendáveis Os sistemas de recuperação de calor não tem retorno financeiro Os sistemas de regulação de iluminação deverão ter aplicação obrigatória

26 Conclusões Numa perspectiva de custo beneficio simples, os sistemas solares térmicos não são recomendáveis Os sistemas solares fotovoltaicos podem suprir 40% da energia eléctrica necessária para o funcionamento da escola (no cenário pós reabilitação) Tendo em conta o previsível aumento de rendimento do processo lectivo o investimento em sistemas de climatização é claramente justificado O estudo não considerou os efeito da temperatura nem o rendimento do professor, o que poderia levar a resultados ainda mais satisfatórios Os custos energéticos anuais de uma escola com 1000 alunos aumentam 30%, passando a representar 0.8% do orçamento anual A utilização de sistemas de climatização e ventilação mecânica tem um custo anual de aproximadamente 70 /aluno.