MERCOFRIO 2012 - CONGRESSO INTERNACIONAL DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAÇÃO, AQUECIMENTO E VENTILAÇÃO SIMULAÇÃO ENERGÉTICA PARA CERTIFICAÇÃO LEED André R. Q. Panesi ricardopanesi@yahoo.com.br Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Térmica e de Fluidos. www.unicamp.br. A44 Envoltório da Edificação Resumo. Este artigo apresenta os procedimentos da obtenção do certificado LEED para o pré-requisito2(energia e atmosfera ) que verifica o desempenho de energia da edificação. Será realizada uma simulação energética de dois edifícios, ou seja, o edifício proposto e o edifício baseline. O edifício baseline representa a referência de um modelo energeticamente eficiente de acordo com a ASHRAE 90.1-2007. Palavras-chave: Simulação energética, EnergyPlus, Eficiência energética 1. INTRODUÇÃO Muito se discute atualmente sobre eficiência energética a nível mundial com crescente preocupação do governo, indústria e comércio em se estabelecer padrões de utilização e consumo racional da energia disponível e necessária para mover a sociedade moderna. Particularmente os edifícios que representam grande participação de uso dos insumos energéticos principais como eletricidade e gás natural. Com a criação no Brasil recentemente, da regulamentação para etiquetagem voluntária de nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos ficou estabelecido de forma definitiva que os edifícios são grandes alvos de estudos para se combater a construção e operação ineficiente como ocorreu ao longo dos anos devido ao crescimento e desenvolvimento das grandes cidades. Edifícios comerciais que oferecem serviços de hospitalidade, escritórios ou shopping-centers são grandes consumidores de energia. A fig. 1 ilustra a evolução da estrutura do consumo final de energia por setor no Brasil ano base 2005 e com projeção para 2030. Figura 1. Evolução da estrutura do consumo final de energia por setores (BRASIL. Ministério de Minas e Energia, 2007). Percebe-se pela fig. 1 que o setor de serviços que inclui o setor comercial, representou uma participação expressiva no consumo final de energia em 2005 elevando-se consideravelmente a participação prevista para 2030, tornando-se dessa forma alvo de estudos energéticos que priorizem o controle ou redução desse consumo. A tabela. 1 ilustra a proporção dos usos finais de energia nos setores comerciais. Tabela 1. Uso final de energia setor comercial (Junior 2012) Uso final Participação no consumo final Iluminação 22% Ar condicionado 47% Demais cargas 31%
Observa-se que no setor comercial, os usos finais que apresentam maior consumo de energia são o sistema de iluminação (22%) e ar condicionado (47%) as demais cargas (bombas, elevadores, ventiladores, etc.) participam com 31%. Neste sentido, torna-se importante desenvolver metodologias capazes de tornar mais eficiente o consumo de energia elétrica em edifícios comerciais principalmente nos subsetores como bancos, hotéis e escritórios. O LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) é um sistema de certificação e orientação ambiental de edificações desenvolvido pelo U.S. Green Building Council (USGBC) que promove o estudo e adoção de melhorias ambiental e energética de e- difícios comerciais, industriais e residenciais. Dessa forma foi realizado uma simulação energética pelo programa E- nergyplus de uma edificação representando uma instalação industrial recreativa para trabalhadores com o objetivo de obter o selo LEED NC com pontuação compreendida entre 40 e 50 pontos. 2. METODOLOGIA As simulações foram baseadas ao longo de um ano completo representando 8.760 horas como exigido pela ASHRAE 90.1-2007. A edificação em estudo é representada por apenas 01 pavimento térreo e foi dividida em 03 zonas térmicas como indica a fig. 2. Figura 2. Zonas térmicas simuladas De acordo com a fig. 2, apenas a zona 2 será climatizada. As dimensões de cada zona e número de ocupantes estão como indica a tab. 2. Tabela 2. Dimensões e ocupantes das zonas simuladas Ambiente Área (m 2 ) Volume (m 3 ) Nº de ocupantes Zona 1 122,90 551,20 40 Zona 2 13,60 44,70 02 Zona 3 14,02 45,15 0 As informações principais de localização do edifício, arquivo climático utilizado que mais se aproximou da região, a orientação em relação ao norte geográfico e o fuso horário estão indicados na tab. 3. Tabela 3. Dados introdutórios para simulação Programa Versão EnergyPlus 6.0 Latitude (grau) -23.6 Longitude (grau) -46.6 Altitude (m) 803.00 Fuso horário -3.0 Norte geográfico (grau) Arquivo climático 0.0 São Paulo Congonhas SWERA. epw
2.1 Cargas internas A carga térmica dos ambientes além das condições ambientais externas e dos elementos construtivos é influenciada também pelas cargas internas, dentre elas, o calor liberado pelas pessoas, equipamentos elétricos, sistema de iluminação e infiltração. As características de ocupação, taxa metabólica, resistência térmica das vestimentas, equipamentos elétricos e iluminação são iguais para todas as simulações efetuadas e são descritas a seguir. 2.2 Ocupação A ocupação do edifício é lustrada de acordo com a tab. 4. A taxa metabólica estimada foi de 130 W/m 2 e a resistência térmica das vestimentas foi definida conforme ISO 7730-1994 para o período de verão e inverno, ou seja: Verão: calça + camisa de manga curta = 0,5 clo Inverno: calça + camisa de manga comprida = 1,0 clo Tabela 4. Perfil de ocupação Horas Zona 1(x100%) Zona 2(x100%) 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 1 1 10 1 1 11 1 1 12 1 1 13 1 1 14 0 0 15 0 0 16 0 0 17 1 1 18 1 1 19 1 1 20 1 1 21 0 0 22 0 0 23 0 0 24 1 1 2.3 Equipamentos internos e iluminação As cargas internas representadas por equipamentos e iluminação estão relacionadas de acordo com a tab. 5. O ambiente denominado de varanda corresponde a uma área aberta não incluída como zona térmica, mas sim como iluminação externa. Tabela 5. Cargas internas de equipamentos e iluminação Ambiente Equipamentos (W) Iluminação (W) Zona 1 150 441 Zona 2 480 77,6 Zona 3 0 77,6 Varanda 0 275,6 2.4 Perfil de utilização dos equipamentos internos e iluminação O perfil de utilização dos equipamentos e iluminação é descrito pela tab. 6.
Tabela 6. Perfil de utilização de equipamentos e iluminação Horas Equipamentos (x100%) Iluminação interna (x100%) Iluminação externa (x100%) 1 0,5 1 1 2 0,5 1 1 3 0,5 1 1 4 0,5 1 1 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0,5 1 0 10 0,5 1 0 11 0,5 1 0 12 0,5 1 0 13 0,5 1 0 14 0 0 0 15 0 0 0 16 0 0 0 17 0,5 1 0 18 0,5 1 0 19 0,5 1 1 20 0,5 1 1 21 0 0 0 22 0 0 0 23 0 0 0 24 0,5 1 1 2.5 Características construtivas do edifício proposto A simulação exige a entrada dos elementos construtivos através das propriedades termofísicas dos materiais empregados. As características dos materiais utilizados foram obtidas através do memorial descritivo fornecido pelo cliente. A tab. 7 descreve os materiais e suas características termofísicas utilizadas na simulação além da densidade de massa aparente ( ), condutividade térmica ( ), calor específico (c), absortância solar ( ), e emissividade infravermelho ( ) de cada material. Tabela 7. Características termofísicas dos materiais construtivos Construção Materiais L (m) c α (kg/m 3 ) (W/mK) (J/kgK) argamassa 0,025 800 0,16 1000 0,2 0,9 Paredes externas bloco de concreto 0,19 1850 1,2 1000 0,6 0,9 e internas argamassa 0,025 800 0,16 1000 0,2 0,9 todas as zonas neutrol 0,001 840 0,42 2400 0,6 0,9 cerâmica 0,01 1922 1,97 1040 0,3 0,9 Piso concreto 0,08 2400 2,35 830 0,3 0,9 todas as zonas lona plástica 0,002 1050 0,157 1000 0,5 0,7 argamassa 0,025 800 0,16 1000 0,2 0,9 Forro concreto 0,08 2400 2,35 830 0,3 0,9 zona 2 neutrol 0,001 840 0,42 2400 0,6 0,9 Cobertura galvalume/zincalume 0,00065 2787 160 833 0,2 0,7 Todas as zonas poliuretano 0,050 28 0,022 1210 0,5 0,7
A tabela 8 descreve a composição das janelas atendendo todas as zonas e que são formadas por vidro laminado, composto por 02 (dois) vidros comuns (4+ 4mm), unidos com uma película de material aderente PVB (polivinil butiral), proteção contra impacto acidental, aplicação de insufilm transparente nas duas faces. Tabela 8. Características físicas e óticas do vidro utilizado Espessura (m) 0,008 Transmitância solar 0,066 Transmitância visível 0,08 Refletância solar (exterior) 0,34 Refletância solar (interior) 0,34 Refletância visível (exterior) 0,41 Refletância visível (interior) 0,37 Transmitância térmica 0 Emissividade hemisférica (exterior) 0,84 Emissividade hemisférica (interior) 0,84 Condutividade (W/mK) 0,14 As tabelas. 9 e 10 apresentam os valores de U (transmitância térmica) e SHGC (coeficiente de ganho solar) para cada elemento construtivo. Tabela 9. Valores de U para cada elemento construtivo do edifício proposto Construção U [W/m 2 K] Parede oeste1 2,113 Parede norte1 2,113 Parede sul1 2,113 Parede leste1 2113 Piso1 19,284 Cobertura1 0,044 Parede oeste2 2,113 Parede norte2 2,113 Parede sul2 2,113 Parede leste2 2,113 Piso2 19,284 Teto2 5,034 Cobertura2 0,044 Parede oeste3 2,113 Parede norte3 2,113 Parede sul3 2,113 Parede leste3 2,113 Piso3 19,284 Cobertura3 0,044 Tabela 10. Valores de U e SHGC para vidros do edifício proposto Construção U [W/m 2 K] SHGC Janela1A 4,474 0,272 Janela2A 4,474 0,272 Porta1B 4,474 0,272 Janela3A 4,474 0,272 Janela4A 4,474 0,272 Janela1B 3,784 0,224 Janela1C 4,474 0,272
2.6 Sistema de HVAC edifício proposto Na simulação do edifício proposto para o sistema de HVAC, foi utilizado o equipamento denominado de mini split modelo Hi-wall quente e frio da marca Carrier Inverter Ecológio X Power com capacidade de refrigeração de 9.000 Btu/h e com COP de 3,3 de acordo com a tabela de eficiência energética do Inmetro. Número de trocas de ar recomendada por hora: 01 Condições de renovação de ar (ANSI/ASHRAE 62, 1989) para o equipamento: 17 m 3 /h pessoa Temperatura de ajuste do termostato: Inverno: 17ºC Verão: 25ºC SEER (Btu/Wh) obtido após simulação: 10,50 2.7 Simulação edifício de referencia (baseline) Para a simulação do edifício de referência (baseline) foi realizado adaptações do edifício proposto para o mesmo atender o apêndice G da norma ASHRAE 90.1-2007, para isso, o prédio deve estar em conformidade com os requerimentos obrigatórios constantes das seções 5.4, 6.4, 7.4, 8.4 9.4 e 10.4 e os requerimentos de performance da mesma norma. O apêndice G exige que algumas características do edifício proposto devam ser mantidas para a modulação do edifício baseline,entre elas: Modulado com a mesma quantidade de pavimentos e metragem de área do prédio proposto, portanto as zonas térmicas utilizadas para o edifício baseline permaneceram as mesmas do edifício proposto; A taxa metabólica, a resistência térmica das vestimentas, as características de ocupação dos ambientes, as programações de funcionamento do sistema de iluminação e equipamentos devem ser consideradas as mesmas para os dois prédios; A regulagem do termostato tem que ser a mesma para os dois prédios. Para a simulação do edifício baseline alguns itens utilizados na simulação do edifício proposto, como sistema de iluminação, dimensionamento das janelas, características construtivas e sistema de HVAC foram adaptados conforme as exigências da norma ASHRAE 90.1-2007, como apresentado a seguir. O sistema de iluminação do edifício baseline foi dimensionado com base na tabela 9.6.1 e tabela 9.4.5 da seção obrigatória 9.4. A tab. 11 indica a comparação do edifício proposto e do edifício baseline no que se refere a densidade de potência de iluminação permitida e utilizada para simulação. Tabela 11. Valores de densidade de potência em iluminação Ambiente Baseline (W/m 2 ) Proposto (W/m 2 ) Zona 1 13 3,6 Zona 2 11 5,7 Zona 3 10 5,53 Varanda 13,5 2,6 Para o item envoltório da edificação existe a exigência o qual as áreas das janelas não podem ultrapassar 40% da área total de cada parede a qual estão instaladas, sendo assim foram realizadas adaptações nas dimensões das janelas do edifício proposto conforme a tab. 12. Tabela 12. Área das janelas em relação à área das paredes Total Lado norte Lado leste Lado sul Lado oeste Área da parede (m 2 ) 225.51 52.50 60.33 52.50 60.18 Área da janela (m 2 ) 49.36 21.00 7.35 21.00 0.00 (%) 21.89 40.00 12.19 40.00 0.00 As características construtivas do edifício baseline foram definidas com base nas exigências da seção obrigatória 5.4 e tabela 5.5.2 referente à zona climática da região do edifício em estudo. A composição dos elementos opacos que compõem a envoltória do edifício deve ser selecionada de forma que o valor de U não ultrapasse o valor mínimo exigido pela norma. As composições das superfícies transparentes também não podem ultrapassar os valores de U e SHGC. Na tab. 13 e 14 estão representados os valores exigidos pela norma e utilizados na simulação do edifício baseline.
Tabela 13. Valores de U para superfícies opacas do edifício baseline Construção U [W/m 2 K] simulado U [W/m 2 K] exigido Parede oeste1 0.809 0,857 Parede norte1 0.809 0,857 Parede sul1 0.809 0,857 Parede leste1 0.809 0,857 Piso1 0.604 0,606 Cobertura1 0.152 0,273 Parede oeste2 0.809 0,857 Parede norte2 0.809 0,857 Parede sul2 0.809 0,857 Parede leste2 0.809 0,857 Piso2 0.604 0,606 Teto2 0.143 0,273 Cobertura2 0.152 0,273 Parede oeste3 0.809 0,857 Parede norte3 0.809 0,857 Parede sul3 0.809 0,857 Parede leste3 0.809 0,857 Piso3 0.604 0,606 Cobertura3 0,152 0,273 Tabela 14. Valores de U e SHGC para vidros do edifício baseline Construção U [W/m 2 K] simulado SHGC simulado U [W/m 2 K] exigido SHGC exigido Janela 1A 3,784 0.224 3,97 0,25 Janela2A 3,784 0.224 3,97 0,25 Porta1B 3,784 0.224 3,97 0,25 Janela3A 3,784 0.224 3,97 0,25 Janela4A 3,784 0.224 3,97 0,25 Janela1B 3,784 0.224 3,97 0,25 Janela1C 3,784 0.224 3,97 0,25 Na simulação do edifício baseline para o sistema de HVAC, foi utilizado o roteiro simplificado dado pela seção 6.3 para casos em que a área bruta de piso seja menor que 2300m 2. Nesse caso os critérios de exigência estão de acordo com a seção 6.3.2. O item c da respectiva seção exige economizador de ar, mas para esse caso não será necessário, pois de acordo com a tabela 6.5.1 economizador não é requerido para a zona climática em estudo. O equipamento utilizado é denominado de PSZ-HP e com COP de 3,3 de acordo com a tabela G3.1.1A recomendado para edifício não residencial com área abaixo de 2300m 2. Número de trocas de ar recomendada por hora: 01 Condições de renovação de ar (ANSI/ASHRAE 62, 1989) para o equipamento: 17 m 3 /h pessoa Temperatura de ajuste do termostato: Inverno: 17ºC Verão: 25ºC SEER (Btu/Wh) obtido após simulação: 10,37 SEER (Btu/Wh) mínimo exigido pela tabela 6.8.1A: 10,0 3. RESULTADOS Os resultados de desempenho quanto a redução de consumo de energia do edifício proposto em relação ao edifício baseline são calculados de acordo com o apêndice G1.2 que trata da avaliação de desempenho onde o desempenho melhorado do edifício proposto é calculado usando a seguinte fórmula: Percentagem de melhoria = 100. (desempenho do edifício de referência - desempenho do edifício proposto) / (desempenho do edifício de referência)
A tabela. 15 indica os resultados de simulação após o cumprimento de todas as exigências do edifício de referência e o proposto para as diferentes orientações como exigido pela tabela G3.1 item 5. Tabela 15. Valores de consumo do edifício proposto e baseline Orientação (grau) Baseline (kwh/ano) Proposto (kwh/ano) 0 13.537,66 6.007,35 90 13.524,00 --- 180 13.524,87 --- 270 13.525,69 --- Média 13.526,56 --- Percentagem de melhoria = 100. (13.526,56 6.005,26) / 13.526,56 = 55,6% As figuras 3 e 4 apresentam os resultados do consumo anual de energia do edifício proposto e baseline extraído da planilha gerada pelo programa EnergyPlus após a simulação. Figura 3. Resultado parcial da simulação do edifício proposto
Figura 4. Resultado parcial da simulação do edifício baseline A figura 4 apresenta o resultado da matriz energética gerada para o edifício proposto e baseline. Figura 4. Matriz energética do edifício proposto e baseline Já a figura 5 apresenta a comparação do consumo anual de energia dos usos finais dos dois edifícios.
Figura 5. Comparação do consumo anual de energia dos dois edifícios 4 CONCLUSÃO A redução de energia apresentada pela tab. 15 pelo edifício proposto ficou próxima de 56% esse alto resultado deveu-se praticamente pelo sistema de iluminação do edifício proposto apresentar elevado índice de eficiência de acordo com o projeto de iluminação existente. O consumo de energia do sistema de ar condicionado para ambos os edifícios foi menor comparado aos sistemas de iluminação e equipamentos, pelo fato de apenas uma zona ter sido climatizada com uma pequena área ocupada. Observa-se também que o edifício baseline apresentou praticamente o dobro de consumo de energia do sistema de ar condicionado, ou seja, influência direta do sistema de iluminação interna como indicou a figura 5. 5 REFERÊNCIAS ASHRAE. AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIRCONDITIONING ENGINEERS. ASHRAE Standard 90.1-2007: Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. Atlanta, 2007. ANSI/ASHRAE Standard 62-1989: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. New York, 1989. BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Matriz energética nacional 2030. 2007. ISO 7730 (1984). Moderate thermal environments determination of the PMVe PPD indices end specification of the conditions for thermal comfort. International Standard, 19 p. Junior, P. A. E. Esplanada sustentável, 1ª oficina, mobilização/sensibilização, módulo eficiência energética. 2012. Disponível em: http://www.orcamentofederal.gov.br/eficiencia-do-gasto/procel%20-%20edifica.pdf Acesso em 05 jul. 2012. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL (INMETRO). Disponível em: http://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp Acesso em 10 abr. 2012. Abstract. This article presents the procedures of acquisition the certificate LEED for requirement 2(energy & atmosfhere) than checks the energy performance the building. Will be realized an energy simulation of two buildings, so the building proposed and the building baseline. The baseline building shows the reference energy efficiency model according to ASHRAE 90.1-2007. Key words: Energy simulation, EnergyPlus, Energy efficiency