SIMULAÇÃO ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS: ESTUDO DE CASO DE UM HOSPITAL USANDO ENERGY PLUS 8.0 Eng o. Denilson Boschiero do Espirito Santo sisterm@sisterm.com.br Sisterm Ar Condicionado - Campinas - SP www.sisterm.com.br Engenharia Mecanica FEI / Doutor Unicamp 2001 Sócio Sisterm desde 1995
Case: Hospitais Motivação: Impactos ambientais na produção de eletricidade. Alto percentual de consumo de eletricidade em edifícios. Potencial de economia de eletricidade nos edifícios. O estudo de caso está dividido em 4 partes: 1ª) definição da estrutura e características de projeto do prédio (caso base). 2ª) apresentação dos casos a serem simulados - medidas de eficiência energética. 3ª) apresentação dos resultados da simulação após a implantação das medidas de eficiência energética. 4ª) discussão dos resultados.
O Prédio: Hospital 6 pavimentos em um total de 15.000 m 2. Os pavimentos térreo e 1 o pavimento possuem 5000 m 2 cada pavimento e concentram a área de serviços do hospital (recepção, atendimento, administração, exames, consultórios, centro cirúrgico, atendimento emergencial, UTI, etc). Pavimentos 2 o ao 5 o são a área de hotelaria (quartos de internação) com 1250 m 2 cada pavimento.
Hospital: Construção 45 zonas climáticas Pé direito de 3 metros. Parede externa: 25 cm de largura. Parede interna: 15 cm de largura. Laje entre pisos: concreto 20 cm. Telhado: laje de 20 cm e telha fibrocimento Janelas fachada leste/oeste/norte/sul: conforme figuras 1, 2 e 3. Portas de entrada: conforme figuras 1, 2 e 3. janelas e portas: vidro de 5 mm claro.
Hospital : Cargas Internas / premissas de projeto 22 perfis de uso (schedules) para definirmos ocupação, iluminação, funcionamento de sistemas, etc. Atividade das pessoas: 110W a 150 W/pessoa Fonte: NBR 16401-1:2008 [5]. Iluminação interna: 15 a 25 W/m 2 (ver tabela 2). Equipamentos internos: 1 a 96 W/m 2 (ver tabela 2). Renovação de ar: 34 m 3 /h por pessoa. Infiltração nos ambientes que possuem portas e janelas: 0,5 volume /h. Infiltração recepção: 1 troca do volume de ar da sala por hora. Set point verão - conforto: 24 o C / 50% Set point verão processo (centro cirúrgico, UTI, laboratórios, emergência, Radiologia e Imagem) : 22 o C / 50%. Set point inverno conforto e processo: 20 o C / 50% Áreas com ventilação, exaustão e áreas climatizadas. Uso de gás natural: Cozinha (1869 W/m 2 ) Sch_Ocup5 Lavanderia (107,6 W/m 2 ) Sch_Ocup4 Esterilização (75,32 W/m 2 ) Sch_Ocup4
Tabela de premissas e hipóteses
Premissas de Projeto HVAC : sistema de água gelada um chiller com condensação a ar. Temperatura da água gelada: saída de 7,2 o C e entrada de 12,7 o C. COP (coeficiente de performance) = 2,5, considerando o ar na entrada do condensador a 35 o C. Uma bomba de água gelada com rotação constante e altura manométrica de 30 mca. Operação contínua (Chiller e bomba de água gelada operam 365 dias/ano). As curvas de desempenho do chiller em cargas parciais e em condições de operação diferentes da de projeto (anexo I). sistema de aquecimento: 1 boiler elétrico de aquecimento de água (inverno). temperatura de água entre 50 / 60 o C e 85% de eficiência. bombas de água quente com rotação constante e altura manométrica de 30 mca e operação intermitente. boiler e bomba funcionam entre maio e setembro. fancoils possuem serpentinas de resfriamento e aquecimento (four pipe fancoil). A pressão estática dos ventiladores depende da aplicação (20 a 150 mmca). Eficiência dos motores elétricos (ventiladores e bombas) é de 82% e a eficiência dos ventiladores é de 50%. Nos ambientes onde estão previstos sistemas de ventilação, os seguintes dados de projeto foram adotados: Cozinha (238 m 2 ) 60 trocas por hora 42840 m 3 /h e 40 mmca. Utilidades (520 m 2 ) 40 trocas por hora 46800 m 3 /h e 50 mmca. Lavanderia (110 m 2 ) 40 trocas por hora 13200 m 3 /h e 50 mmca. WC (96 m 2 ) 10 trocas por hora 2900 m 3 /h. WC 2º ao 5º (96 m 2 ) 10 trocas por hora 2900 m 3 /h. Nas áreas externas do hospital está previsto uma iluminação exterior de 12000 W (acionamento por sensor crepuscular). Estão previstos 4 elevadores com motores de 20 CV (15 kw) cada um, operando de acordo com o schedule Lights7 (figura 6).
Simulação e medidas de Eficiência Energética As medidas de eficiência energética produzem diferentes resultados em função do clima e da posição geográfica do prédio. O estudo de caso foi desenvolvido em cinco cidades do Brasil (São Paulo, Brasília, Porto Alegre, Recife e Manaus). Diferentes cidades visam representar a influencia dos diferentes climas e posições geográficas: Diversas medidas de eficiência energética podem ser implementadas e avaliadas através do software Energy+. Procuramos escolher algumas medidas que acreditamos ter mais potencial de penetração no mercado nos próximos 5-10 anos. Case 1 (caso base): Conforme descrito na seção 2 deste trabalho. Case 2: Janelas com vidro duplo de 5 mm e espaço de ar. Proteção externa (alumínio) brise nas janelas. Case 3: Redução de 30% na potência da iluminação interna (ver tabela 2). Potencia da iluminação externa reduzida para 8400 W. Case 4:Aumento na eficiência eletro-mecânica dos conjuntos bombas e ventiladores. Motores das bombas com 90% de eficiência elétrica (era 82%) aumento de 8,9%. Eficiência mecânica dos ventiladores = 56% (era 50%) aumento de 10,7%. Case 5: Aumento do COP do chiller de 2,5 para 3,5. Case 6: Bomba água gelada com inversor de frequência (variable speed drive).
Caso 1 e Caso 2 Caso 1: caso base Demanda: 1410,4 kw Chiller: 464 TR`s Consumo eletricidade: 6.411.827 kwh/ano. iluminação: 30,2% equip. internos: 26,3% ar condicionado: 21,6% ventiladores: 16,5% bombeamento: 4,5 % iluminação externa: 0,8% Caso 2: janela dupla e brise externo Demanda: 1380,8 kw Chiller: 431 TR`s Consumo eletricidade: 6.288.315 kwh/ano. 2% de redução consumo de eletricidade. 7% de redução da potência do chiller. 6% de redução no consumo dos ventiladores. 3% de redução no consumo do chiller. 7% de redução no consumo com bombeamento.
Caso 3 e Caso 4 Caso 3: 30% de economia com iluminação Demanda: 1242,8 kw Chiller: 409 TR`s Consumo eletricidade: 5.500.109 kwh/ano. 12,5% de redução comparado ao caso 1 5% de redução na potência do chiller. 9,8% de redução do consumo do chiller. 4,6% de redução no consumo dos ventiladores 5% de redução no consumo de bombas Caso 4: eficiência de motores (vent e bombas) Demanda: 1222,9 kw Chiller: 409 TR`s Consumo eletricidade: 5.351.419 kwh/ano. 2,7% de redução consumo de eletricidade. 10,8% de redução no consumo dos ventiladores. 2% de redução no consumo do chiller. 8,8% de redução no consumo com bombeamento.
Caso 5 e Caso 6 Caso 5: COP do chiller de 2,5 para 3,5 Demanda: 1087 kw Chiller: 409 TR`s Consumo eletricidade: 5.500.109 kwh/ano. 6,3% de redução no consumo do hospital. 28,6% de redução do consumo do chiller. Iluminação, equip internos, ventiladores e bombas não são afetados. Caso 6: inversor nas bombas Demanda: 1038 kw Chiller: 409 TR`s Consumo eletricidade: 4.845.167 kwh/ano. 3,35% de redução consumo de eletricidade. 6% de redução no consumo do chiller. 49,7% de redução no consumo com bombeamento.
Resultados 1 Tecnologias disponíveis no mercado com um investimento inicial maior. Resultados revelam a importância de se especificar / selecionar produtos / equipamentos mais eficientes. Vidros e brises. Iluminação : redução conservadora (30%). Motores elétricos, ventiladores e bombas. Chiller: COP de 2,5 para 3,5 (compressor alternativo para parafuso ou centrífugo). Inversores de frequência em bombas.
Resultados 2 Percentuais de economia entre 24,4% (SP) e 27,2% (Recife). Economia é 31,7% maior em Recife, devido ao maior consumo em Recife. Considerando a tarifa de eletricidade de 0,40 R$/kWh, tem-se uma economia anual de R$ 626,7 mil em SP e de R$ 825,4 mil em Recife. Em SP demanda passou de 1410 kw para 1036 kw (26,5%). Em Recife a demanda passou de 1504 kw para 1098 kw (27%) São Paulo Recife Porto Alegre Brasilia Manaus caso base (kwh/ano) 6411832 7576644 6427400 6464729 7604276 caso 6 (kwh/ano) 4845166 5513116 4851444 4866895 5541620 economia (kwh/ano) 1566666 2063528 1575956 1597834 2062656 economia (%) 24,4 27,2 24,5 24,7 27,1
Percentuais de participação: Resultados 3 Chiller tem grande participação (maior em Manaus e Recife). Ventiladores tem grande participação. Aquecimento pequena participação (cargas internas). Equipamentos internos: mantiveram consumo de eletricidade, aumentando a participação.
Conclusões EnergyPlus permite o desenvolvimento de análises detalhadas (complexas) de consumo de eletricidade em edificações. Devemos ser conservadores quando comparando o consumo das cidades, já que a simulação usam arquivos climáticos weather files que podem não representar condições médias ao longo dos últimos anos (ano em particular) imprevisibilidade do clima. Chiller possui curvas de correção de desempenho em função da carga e da temperatura do ar externo (usam o weather file). As curvas de correção de desempenho são as mesmas para o chiller de COP 2,5 e de COP 3,5. a redução obtida do caso 4 para o caso 5 foi de 28,6% (2,5/3,5). As curvas podem ser vistas no artigo. COP médio de 4,64 em SP e de 4,59 em Recife. Agradecimento: Projeto Eficind-Unicamp MME.