Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de ... · Aplicação da Teoria de Projeto na ... -Eficiência do chiller ... -Recuperação parcial no chiller (CHR);-Diferença de

Aplicação da Teoria de Projeto na Obtenção de Edifícios NZEB

Lisboa, 16 de Outubro de 2014

Miguel Cavique

[email protected]

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.

2Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014 Miguel Cavique

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 -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…


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 ProjectoProjecto

4Miguel Cavique Ordem dos Engenheiros, Lisboa, 16 de Outubro de 2014

Vector

{Y}

“o que se

pretende

obter?”

Vector

{X}

“como sepretende

obter?”

Domínio RF Domínio PP

Requisitos

ProjectoFuncionaisParâmetros

Realidade

idealizada

Realidade

física

DomínioFuncional

DomínioFísico

- O que se pretende alcançar?

Um edifício de serviços NZEB

2- O que se pretende alcançar?

-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.

3- O edifício modelado

Edifício localizado em Lisboa;

2.248 m2 distribuído por 3 pisos;

Teve certificação energética em 2012;

Levantados os vários equipamentos e perfis de consumo;

Medidos os consumos de globais e os


Medidos os consumos de globais e os de AVAC;

Certificado na classe D;

Cargas sem ar novo:

Arrefecimento: 136 kW; 65 W/m2

Aquecimento: 50 kW; 22 W/m2

3- O edifício modelado

Características de ocupação:

15 m2 por pessoa – 147 pessoas;

30 m3/h de ar novo por pessoa

13 W/m2 para iluminação para 500 lux;

19 W/m2 de equipamento de


Valores em

kWh/ano Iluminação

Equip.

escritório

Equip.

hospitar

Total

Equip. AVAC

Outros

(elev.

ilum.

exterior) Total

Base facturas 571.000

Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183

19 W/m2 de equipamento de escritórios, com um total de 48 W/m2 de equipamento de escritório e hospitalar.

4- Parâmetros usados na decomposição

- Arquitectura e uso do edifício:

- Inércia;

- Envolvente;

- Cargas internas;

- Sistemas energéticos (AVAC);

- Produção local de energia.


- Iremos abordar:

- Redução das cargas internas;

- Melhorias no AVAC;

- Produção fotovoltaica.

RF 0.3:

Reduzir o

consumo de

energia no

edifício

PP 0.3:

Edifício

com

sistemas

adequados

RF 1.3:

Reduzir a

carga interna

PP 1.3:

Baixas

RF 1.2:

Ajustar

características

da envolvente

do edifício

PP 1.2:

Envolvente

RF 1.1:

Adequar a

inércia do

edifício

PP 1.1:

Inércia do

RF 1.4:

Reduzir o

consumo de

energia dos

sistemas

PP 1.4:

Eficiência

dos

RF 1.5:

Produzir

energia

localmente de

modo

eficiente

PP 1.5:

Sistemas

locais de


Baixas

cargas

internas

Envolvente

do edifício

Inércia do

edifício

dos

sistemas

energéticos

locais de

produção

de energia

RF 2.6:

Reduzir o

consumo do

sistema de

iluminação

PP 2.6:

Eficiência

do sistema

de

iluminação

RF 2.5:

Reduzir a

carga dos

equipamentos

PP 2.5:

Eficiência

dos

equipamen

tos

interiores

RF 2.4:

Reduzir a

ocupação

PP 2.4:

Número de

pessoas

RF 2.3:

Adequar os

ganhos solares

PP 2.3:

Fracção

solar dos

envidraçad

os

RF 2.2:

Adequar as

trocas pela

envolvente

opaca

PP 2.2:

Coeficiente

transmissã

o de calor

RF 2.1:

Definir a

massa do

edifício

PP 2.1:

Massa por

unidade de

superfície

RF 2.7:

Reduzir a

carga de ar

novo

PP 2.7:

Caudal de

ar novo

RF 2.8:

Reduzir

consumo do

sistema de

potência

PP 2.8:

Eficiência

do sistema

de potência

RF 2.9:

Reduzir

consumo no

sistema de

AQS

PP 2.9:

Eficiência

do sistema

de AQS

RF 2.10:

Reduzir

consumo do

sistema

AVAC

PP 2.10:

Eficiência

do sistema

de AVAC

RF 2.11:

Aproveitar

recursos

renováveis

PP 2.11:

Sistemas

renováveis

RF 2.12:

Geração

combinada de

energia

PP 2.12:

Cogeração

RF 2.13:

Gerar energia

por outros

sistemas

PP 2.13:

Outros

sistemas

4- Parâmetros de AVAC

Onde podemos poupar energia?

- Redes;

- Chillers;

- UTAs;

-VCs ...


-VCs ...

Onde mais?

Avaliar o processo de decomposição.

4- Parâmetros de AVAC

11

5- Análise paramétrica do consumo em AVAC

O sistema modelado:

Bomba calorCh+rec

Salar

+ -


+ -

VentiloconvectoresUTAN – recuperador estático


- Ventilação controlada (DCV);

- Caudal de água variável (VWF);

- Eficiência do motor (EFF);

- Recuperador calor na UTA

-Tipo de controlo do caudal de água (WFCT);

- Temperatura de evaporação (EVT);

- Eficiência do chiller (EER);

Parâmetros avaliados em dois níveis (0, 1)

- 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);


- Eficiência do chiller (EER);

- Recuperação parcial no chiller(CHR);

- Diferença de temperatura no circuito de água(WDT);

- Velocidade variável no ventiloconvector (FCVS).


-DCV, ou ventilação controlada(DCV):

0- caudal constante; 1- caudal variável

12

Ventilador e rede

12

Controlo de caudal- E α Q3 (?)


0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25 30

Pre

ssu

re

Flow

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25 30

Pre

ssu

re

Flow

-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 Q2



0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Pre

ssu

re

Flow

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Pre

ssu

re

Flow

-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



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

- Eficiência de motores e de bombas (EFF):

0: EFF2; 1:EFF1 (mais eficiente)

Eficiência do motor



0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

0 5 10 15

Eff

icie

ncy

Shaft power

- 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.



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-5 0 5 10 15 20

Eff

icie

ncy

Dry bulb outdoor air temperature

Recuperador de calor de placas

-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:



Caudal de ar no circuito de insuflação: 4.500 m3/h com perda de carga de 760 Pa; reduzida para 610 Pa;

Caudal de ar no circuito de extracção: 3.600 m3/h com perda de carga de 360 Pa; reduzida para 260 Pa.

-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 kPaem aquecimento; reduzido para 28 e 38 kPa;

- Circuito dos VCs: 58 kPa em arrefecimento; 56 kPa



- Circuito dos VCs: 58 kPa em arrefecimento; 56 kPaem aquecimento; reduzido para 40 e 38 kPa;

- Sistema de aquecimento parado de 1 de Junho a 30 de Setembro.

- 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):



- Eficiência do Chiller (EER):

0: metade da eficiência do ciclo

de Carnot

1:10% melhorado

Recup.

-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


parciais.

Ch+Rec

-Ventiloconvectores de velocidade variável (FCVS): 0: com velocidade constante; 1: com VCs ECDC

Per

cen

tag

e o

f el

ectr

ical

en

erg

y Relação entre a energia de um

VC ECDC/ VC comum



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Per

cen

tag

e o

f el

ectr

ical

en

erg

y

Percentage of cooling load of the fan-coil

VC ECDC/ VC comum

Combinatory Generator

Energy Evaluation

Matlab Workspace

*.xls

Design Builder

Reading data

*.xls

AHU fans

O diagrama do programa:

1- DB – cargas internas (inferiores às do modelo real) ;

2- O programa gera as 3x212 (12.288) resultados;

6- O RSM e a sua aplicação ao consumo de AVAC


*.txt *.xls

Matlab Workspace

RSM

Output of results

AHU coil

AHU fans

AHU pumps

Fan-coil pumps

Chiller

Ducts and tubes

Fan-coils fans

resultados;

3- O RSM (response surface method) avalia os parâmetros.

Avaliar as implicações cruzadas dos parâmetros


- A implicação paramétrica:

- DCV e VCs com inverter são os parâmetros mais importantes.

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%


importantes. 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%


- Utiliza 12.288 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 cada parâmetro;

- São apresentados os inteiros dos valores divididos por 105 de modo a apresentar-se apenas os mais significativos.


�p p p

li 0 i i i,j i ji 1 i 1 j i

Y (X) bn bn .X bn .X .X= = >

= φ = + +∑ ∑∑

DCV VWF AHEX EFF DPRA DPRW AFCT WFCT EVT EER CHR WDT FCVS

DCV -80 3 1 4 -15 2 1 Demand Control Ventilation

VWF -2 1 Variable Water Flow

AHEX 3 -3 -2 Air Handling Heat Exchanger

EFF -10 1 Motor Efficiency

DPRA -24 2 DP Reduced in the Air Circuit

- Os coeficientes b do ajustamento de mínimos quadrados:


DPRA -24 2 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 22 3 -25Evaporator Temperature

EER -17 Chiller EER

CHR -3 Chiller Partial Recovery

WDT 23 -36Water DT

FCVS -132Fan-Coil Variable Speed



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); de fluxo);

- Equipamentos mais eficientes (LCD, computadores).

O que é possível obter?


Valores em kWh/ano Iluminação

Equip.

escritório

Equip.

hospitar

Total

Equip. AVAC

Outros

(elev. Ilum.

exterior) Total

Base facturas 571.000

Simulação real 122.440 148.868 151.058 422.366 157.127 3.690 583.183

Boa ilum equip esc (Pior AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 120.547 3.690 423.478

Boa ilum equip esc (Melhor AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 47.917 3.690 350.848

- 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%


- Utilização de painéis fotovoltaicos

- Com uma área disponível de cerca de 630 m2

- Usando painéis de gálio no terraço do 2º piso e em fatias do terraço do 1º


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:


Valores em kWh/ano Iluminação

Equip

escritório

Equip

hospitar Total Equip AVAC

Outros

(elev ilum

exterior) Total Fotovoltaico Facturas

Boa ilum equip esc (Melhor

AVAC) 58.862 89.321 151.058 299.241 47.917 3.690 350.848 329.130 21.718

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.


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.

Obrigado pela vossa atenção


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