Gestão de energia: 2008/2009 Aula # T10 Energia em edifícios Prof. Miguel Águas miguel.aguas@ist.utl.pt
Consumo de energia em edifícios O consumo de energia em edifícios já representa 38% 10% 23% 39% Services Domestic Transportation Industry (1) 25 000 20 000 28% 15 000 18% 29% 10 000 20% 5 000 33% 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 0 (1) Includes transformation and extraction industry. Does not include final uses as raw materials, nor non energetic uses of oil. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 2 of 53
Consumo de energia em edifícios Os edifícios consomem 63% da electricidade 26% 48% Services Domestic Transportation Industry (1) 4 000 3 500 26% 3 000 2 500 2 000 34% 37% 1 500 1 000 500 29% 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 0 (1) Includes transformation and extraction industry. Does not include final uses as raw materials, nor non energetic uses of oil. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 3 of 53
Consumo de energia em edifícios Existem muitas formas de reduzir o consumo de energia em edifícios Redução da procura Aumento da eficiência Redução do desperdício Acções passivas Acções activas Acções de controle Isolamento térmico Ganhos/protecções solares Inércia térmica Ventilação natural Luz natural Electrom. eficientes Lâmpadas eficientes AVAC eficiente Colectores solares Energia fotovoltaica Biomassa Cogeração Defesa ambiente Sensib. energética Melhor contagem Maior controle Gestão da tarifa Aula # T10: Energia em edifícios Slide 4 of 53
Conforto térmico Norma ISSO 7730: Estabelece que o conforto térmico é atingido quando menos de 10% dos ocupantes se sentem desconfortáveis, relacionando conforto térmico com balanço energético. Para se garantir conforto térmico é preciso haver equilíbrio entre o calor produzido pelo corpo e o calor perdido pelo corpo. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 5 of 53
Conforto térmico O conforto térmico depende de factores individuais: Actividade Vestuário e factores ambientais: Temperatura do ar Humidade relativa do ar Velocidade do ar Temperatura das paredes Aula # T10: Energia em edifícios Slide 6 of 53
Conforto térmico Baseia-se na equação de conforto térmico Acumulação de Calor Metabolismo e trabalho Difusão de vapor Transpiração Respiração latente Respiração sensível Radiação Convecção S = M-W -{3.05e-3*(5733-6.99(M-W)-p vap )} -{0.42*((M-W)-58.15)} -{1.7e-5*M(5867- p vap )} -{0.0014*M(34- T ar )} -{3.96e-8* f vest ((T vest +273) 4 -(T rad +273) 4 )} -{f vest *h*(t vest -T ar )} Aula # T10: Energia em edifícios Slide 7 of 53
Conforto térmico Pelo custo dos equipamentos de controle dos factores ambientais e actual impossibilidade de controlar os factores individuais, Conforto é, na prática: Manter a temperatura do ar entre 20 e 25ºC e, quando há controle da humidade: Manter a humidade relativa do ar entre 40 e 60% Esta associação de conforto às propriedades psicrométricas do ar está na base da maioria dos sistemas de AVAC. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 8 of 53
Radiação solar Gestão de Energia Radiação extra-atmosférica média: Constante solar (S 0 ) = 1353 W/m 2 Movimento translação elíptico implica numa variação de ±3%: n 10 S = S0 1+ 0.03344 cos 2π (n é o dia de calendario) 365 Mas o efeito principal vem do ângulo de declinação: Clima Aula # T10: Energia em edifícios Slide 9 of 53
Clima Radiação solar O movimento aparente do Sol é descrito pelos ângulos: azimute altitude Aula # T10: Energia em edifícios Slide 10 of 53
Clima Radiação solar Valores: W/m2 1200 1000 800 600 RADIAÇÃO SOLAR - LISBOA Julho/1989 Global -Dia 15 Global Mês Difusa -Dia 15 Difusa -Mês 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Horas do dia Radiação Solar Global - LISBOA 250 200 kwh/mês 150 100 50 European Commission: PVGIS Solar Irradiance Data 0 jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Aula # T10: Energia em edifícios Slide 11 of 53
Clima Temperatura exterior de projecto Objectivo: Dimensionamento dos equipamentos A temperatura exterior de projecto é calculada com base numa probabilidade acumulada de ocorrência de 99%, 97.5%, 95% e 90%. Uma probabilidade acumulada de ocorrência de 99% significa que, no Verão, a temperatura indicada apenas é excedida, em termos probabilisticos, 1% do tempo, ou seja, 30 horas por ano. Lisboa (Verão) Probabilidade Acumulada de Ocorrência Temperatura de Projecto (ºC) 90% 27 95% 29.4 97.5% 31.4 99% 33.3 Aula # T10: Energia em edifícios Slide 12 of 53
Graus-dia Objectivo: Previsão do consumo anual Os Graus-dia calcula-se por: GD anual = Dias de aquec. i= 1 GD i onde GD Onde: T b é a temperatura interior pretendida T j é a temperatura exterior à hora j Os Graus-dia são calculados para todo um ano. i = 24 j= 1;seT b > T j Gestão de Energia Clima T b T j 24 Por exemplo, para Lisboa, para T b =20ºC, os graus dia de aquecimento são de 1190ºC.dia. Sabendo que a estação de aquecimento tem 6 meses (180 dias), a média de GD diários (GD i ) será de 6,6ºC. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 13 of 53
Projecto AVAC Metodologia Projecto de arquitectura Cálculo das cargas térmicas Sistema de climatização Isolamentos térmicos Orient. das fachadas Vãos envidraçados Sistemas activos Inércia térmica Renovação do ar Condições de conforto Ocupação Iluminação e equip. Águas quentes san. Pot. de aquecimento Pot. de arrefecimento Central técnica Unidade de produção Sistema de distribuição Unidades terminais Manual de manutenção Aula # T10: Energia em edifícios Slide 14 of 53
Projecto AVAC Produção de frio O equipamento mais comum para a produção de frio é o chiller de compressão, que consome electricidade e tem COP=3 a 5. Trata-se de um ciclo frigorifico, que refrigera um caudal de água no evaporador de 10ºC para 7ºC. O calor é dissipado no condensador de forma directa (aerocondensadores) ou por torre de refrigeração (circuito de água) Alternativamente existe o chiller de absorção, que consome calor e tem COP=0,6 a 1,0 Aplica-se em situações de disponibilidade de calor (p.e. cogeração). Aula # T10: Energia em edifícios Slide 15 of 53
Projecto AVAC Acumulação de frio Tem por objectivo tirar partido da electricidade ser mais barata durante a noite Os sistemas de acumulação são geralmente de tanques de gelo, tendo por base a significativa entalpia de congelação da água, 333 kj/kg, ao qual acresce cerca 40 kj/kg, de variação de 10ºC da temperatura. Durante a noite o chiller carrega o tanque. Durante o dia o edifício recebe frio do tanque, estando o chiller desligado. Energeticamente, a acumulação: Perde por necessitar de uma menor temperatura de evaporação pois em lugar de arrefecer um caudal de água para 7ºC, tem que congelar a água do tanque e porque existem ganhos térmicos através da superfície. Ganha porque o chiller trabalhando de noite necessita de uma menor temperatura de condensação. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 16 of 53
Projecto AVAC Produção de calor O equipamento mais comum para a produção de calor é a caldeira de água quente. A caldeira geralmente queima gás natural com rendimentos da ordem dos 90% a 95%. A água é aquecida na caldeira de 60ºC para 80ºC. Alternativamente, o calor pode ser produzido por uma bomba de calor, mas apenas quando as temperaturas da água são menores. Aula # T10: Energia em edifícios Slide 17 of 53
Sistemas de distribuição Gestão de Energia Projecto AVAC O sistema de climatização mais comum basea-se numa rede de 4 tubos (ida e retorno de água quente e ida e retorno de água gelada) e unidades de tratamento de ar, UTA. A UTA aspira ar do espaço climatizado, misturando-o com ar novo. Esta mistura é filtrada, arrefecida (aquecida e/ou humidificada) e insuflada no espaço. O excesso de ar (aspiração menor que insuflação) pressuriza o espaço saindo ar por aberturas nas portas, AR NOVO AR RECIRCULADO climatizando os corredores, ou por aberturas nas luminárias. Alternativamente, a climatização pode ser feita por pavimento/tecto radiante. Filtro Bateria arrefecimento ÁGUA GELADA ÁGUA QUENTE Bateria aquecimento Chuveiros CHILLER CALDEIRA AR Ventilador INSUFLADO ÁGUA Aula # T10: Energia em edifícios Slide 18 of 53
Projecto AVAC Sistemas de distribuição (UTA dedicada) Aula # T10: Energia em edifícios Slide 19 of 53
Regulamentação Sistemas de distribuição (UTA climatiza incorrectamente 2 espaços) Aula # T10: Energia em edifícios Slide 20 of 53