Como conseguir Net-Zero-Energy
em edifícios de escritórios.
CIAR2013
Colômbia, Cartagena, Julho de 2013
Traemos al presente el futuro de
Carlos Lisboa, Eng
BLC navitas, Lda
[email protected]
Office Number +351 214 415 546
la construcción!
Cell Number +351 919 263 880
PARADIGMA:
• Algo que serve de exemplo geral ou de modelo. = PADRÃO
• Paradigma
(do
grego
parádeigma)
literalmente
modelo,
é
a
representação de um padrão
• “...a constellation of concepts, values, perceptions and practices shared
by a community which forms a particular vision of reality that is the basis
of the way a community organises itself”. (Thomas Kuhn, em The
Structure of Scientific Revolutions,1962)
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A reformulação da Directiva Europeia relativa ao desempenho energético
dos edifícios obriga todos os edifícios novos a serem Net Zero Energy,
NZE, em 2020 (2018 para os edifícios públicos)
Nos EUA o Programa de Tecnologias de Edifícios do Departamento de
Energia, DOE, estabeleceu um programa de investigação com o objectivo
de criar as tecnologias e soluções que permitam que em 2025 a
construção de Net Zero Energy Buildings seja competitiva com as
soluções convencionais.
Na classificação energética proposta pela ASHRAE, o grau mais elevado
(A+) corresponde a Net Zero Energy Building.
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PARADIGMA ACTUAL
• Cargas internas elevadas (iluminação, equipamentos e ocupação),
• Soluções arquitectónicas existentes concebidas maioritariamente com
poucas preocupações de eficiência energética,
• Sistemas de climatização existentes concebidos maioritariamente com
poucas preocupações de eficiência energética,
• Temperatura ambiente interior baixa, em conformidade com critérios
clássicos de conforto térmico,
• Grandes exigências no que se refere à qualidade do ar interior e ao
tratamento do ar exterior devido a ambiente urbano significativamente
poluído e ruidoso devido ao trânsito automóvel,
• Caudal de ar novo constante e dimensionado para o pico de ocupação,
• Produção energética centralizada.
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PARADIGMA ACTUAL
Consumo anual de energia por sector
(Auditorias energéticas a três edifícios de escritórios, clima temperado)
Consumo médio total
de energia de
150kWh/m2/ano
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PARADIGMA ACTUAL
Consumo anual de energia por sector
Reduções
de
consumo
em
iluminação
e
equipamentos
conduzem a uma redução indirecta
em climatização.
Estas reduções são prioritárias!
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CARGAS INTERNAS
8m
Exemplo real de densidade extrema (3.5 m2/pessoa, 1PC por pessoa)
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CARGAS INTERNAS
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CARGAS INTERNAS
Iluminação
Com a tecnologia mais eficiente de iluminação actual conseguem-se
500lux com uma potência instalada de apenas 6W/m2.
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CARGAS INTERNAS
Iluminação
•
•
•
Com tecnologia de lâmpadas fluorescentes de alta eficiência aplicadas
em luminárias com reflectores de alta reflectividade conseguem-se
potências instaladas de entre 4 e 6W/m2 para obter 500lux médios no
plano de trabalho,
Esta potência pode ser ligeiramente mais baixa com a tecnologia de
LEDs,
A aplicação de balastros electrónicos digitais endereçáveis ligados por
BUS ao sistema de gestão técnica permite a configuração através do
sistema de gestão do fluxo luminoso por luminária. Com esta solução
conseguem-se obter os 500lux apenas nos postos de trabalho,
reduzindo para 200lux na restante área e reduzindo significativamente
o consumo, e a carga térmica, quando comparado com o consumo da
solução convencional (nível de luminosidade uniforme em toda a área
útil),
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CARGAS INTERNAS
Iluminação
•
•
Uma boa concepção arquitectónica do ponto de vista da maximização
da iluminação natural, aliada a um adequado sistema automático de
comando da iluminação artificial, pode reduzir drasticamente o
consumo de energia em iluminação,
• As soluções de iluminação natural são uma grande condicionante
à concepção arquitectónica,
• Uma boa integração na arquitectura das mais eficazes soluções
de iluminação natural só é possível numa fase muito inicial de
concepção, “quando o 3D ainda só está na cabeça do arquitecto”,
• É necessário informar os nossos arquitectos sobre como conceber
os edifícios para maximizar a iluminação natural!
Sistemas de comando automático com sensores de ocupação
permitem ainda reduzir mais um pouco o consumo em iluminação.
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CARGAS INTERNAS
Iluminação
DESAFIO/OBJECTIVO;
A aplicação das mais eficientes tecnologias de
iluminação artificial aliada
a uma concepção
optimizada em termos de iluminação natural poderá
levar o consumo em iluminação para menos de
5kWh/m2/ano
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CARGAS INTERNAS
Equipamentos
•
•
•
•
•
Excluindo períodos de hibernação ou suspensão, um computador
pessoal (PC) médio consome em média entre 110W e 125W (ASHRAE
Research Project RP-1055, 1999),
O consumo em equipamentos , e a carga térmica associada, depende
fundamentalmente da concepção dos mesmos,
O consumo depende também da forma como os mesmos são
utilizados (utilização manual ou automática dos modos de hibernação e
suspensão),
O programa EnergyStar, criado pela Environmental Protection Agency,
EUA, em 1993, levou os fabricantes de equipamentos de escritório
(PCs,
impressoras,
fotocopiadoras,
etc.)
a
melhorarem
significativamente a eficiência energética dos mesmos,
Terá que se dar um novo “salto evolutivo” na concepção dos
equipamentos para conseguir atingir o objectivo Zero Energy . Esta
evolução tecnológica, como se demonstra pelo programa EnergyStar,
pode ser dinamizada pelos estados (EUA/UE).
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CARGAS INTERNAS
Equipamentos. PCs – “Cloud Computing”.
Processamento e
storage em Mega
Data Centers (DC)
de alta eficiência
energética
(PUE<1,15)
PC
com
reduzidos
recursos
de
processamento
e
storage
=>
baixo
consumo nos edifícios
Imagem do novo DC da yahoo PUE~1,1
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CARGAS INTERNAS
Equipamentos
DESAFIO/OBJECTIVO;
A aplicação de novas soluções/concepções de
soluções e tecnologias informáticas, nomeadamente
“Cloud Computing” poderá levar o consumo em
equipamentos
nos
edifícios
para
valores
significativamente inferiores aos actuais
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SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS
A ausência de um eficaz sombreamento das superfícies envidraçadas no
período de Inverno, aliado à elevada carga térmica interna, leva
normalmente a que o pico de necessidades de arrefecimento ocorra no
Inverno (nas fachadas orientadas a Sul),
Imagem simulada da fachada Sul de edifício existente às 12h, no Inverno.
(no Verão o sombreamento é completamente eficaz)
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SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS
•
•
•
•
Generalidade dos edifícios são actualmente concebidos com a
preocupação dominante da estética, sendo , entre outros aspectos,
sacrificada a eficiência energética àquele objectivo,
A maioria dos edifícios existentes seriam inabitáveis sem recurso a
sistemas de climatização, mesmo na ausência de cargas internas,
A concepção arquitectónica e as soluções construtivas (especificações
térmicas e solares da envolvente) têm que ser testadas e optimizadas
do ponto de vista da eficiência energética, recorrendo a software de
simulação,
Para se atingir o objectivo Zero Energy é necessário evitar
completamente a incidência de radiação solar directa nas superfícies
envidraçadas no período de Verão e gerir essa mesma incidência no
período de Inverno.
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SOLUÇÕES ARQUITECTÓNICAS
DESAFIO/OBJECTIVO;
As soluções arquitectónicas e construtivas devem
ser tais que proporcionem condições de
habitabilidade na ausência de cargas internas e de
sistemas de climatização activos.
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SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Estudo do Department of Energy (DOE), dos EUA.
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SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ventiladores e bombas são
os maiores consumidores!
Estudo do Department of Energy (DOE), dos EUA.
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SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ventiladores.
•
•
•
•
•
Necessário optimizar energeticamente os sistemas aeráulicos,
Por 1000Pa de pressão o ar aquece cerca de 1ºC,
Se, entre a insuflação e o retorno, a pressão fornecida pelos
ventiladores for de 2000Pa, os ventiladores contribuem com um
aquecimento de 2ºC,
Os sistemas a ar são dimensionados para um dT=8/10ºC, portanto, o
aquecimento dos ventiladores corresponde a 20% a carga sensível do
local,
É prioritário conceber soluções/tecnologias que reduzam a pressão dos
ventiladores,
• Unidades de climatização de baixa perda de carga (velocidades
transversais baixas),
• Redes aeráulicas optimizadas,
• Localização central das unidades de tratamento de ar,
• Ventiladores e motores de alta eficiência,
• Utilização de filtragem do ar com racionalidade.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ventiladores. Filtragem do ar.
•
•
•
•
•
•
•
As recentes exigências de qualidade do ar interior conduzem à
instalação nos sistemas de vários filtros de alta eficiência (F5 a F9),
Estes filtros introduzem perdas de carga de centenas de Pascal,
Estas exigências conduzem a um aumento significativo do consumo de
energia (e carga térmica associada) em ventiladores,
A aplicação de filtros finos (F5 a F9) tem como objectivo a protecção da
saúde. Para protecção dos equipamentos são suficientes filtros
gravimétricos (G1 a G4), de menor perda de carga,
A aplicação dos níveis de filtragem actualmente exigidos não está
devidamente justificada por estudos da ciência médica ou
recomendações da OMS,
É necessário rever os critérios de aplicação de filtros em sistemas de
climatização,
A justificarem-se os níveis de filtragem do ar exterior actualmente
exigidos inviabilizam-se os sistemas de ventilação natural.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ar Novo.
•
•
Em muitos Países, a aplicação da lei conduz frequentemente a caudais
de ar novo superiores ao requerido pelas normas de conforto,
Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da
ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1]
[2],
(1) Maripuu, L-L, 2009. DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.)
(2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ar Novo.
•
•
Em muitos Países, a aplicação da lei conduz frequentemente a caudais
de ar novo superiores ao requerido pelas normas de conforto,
Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da
ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1]
[2],
Necessário implementar sistemas de Demand Controlled Ventilation, DCV,
abrangendo todo o edifício e não apenas as salas de conferências!
(1) Maripuu, L-L, 2009. DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.)
(2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms.
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SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Ar Novo.
•
•
Em muitos Países, a aplicação da lei conduz frequentemente a caudais
de ar novo superiores ao requerido pelas normas de conforto,
Edifícios em operação têm ocupações médias entre 30% e 50% da
ocupação de ponta para que os sistemas foram dimensionados [1]
[2],
Necessário implementar sistemas de Demand Controlled Ventilation, DCV,
abrangendo todo o edifício e não apenas as salas de conferências!
•Detetores de ocupação,
•Difusores com bom desempenho para diferentes caudais de ar,
•Rede de condutas e ventiladores dimensionados para Volume de Ar
Variável.
(1) Maripuu, L-L, 2009. DCV in Commercial Bldgs. Chalmers Univ.of Techn.)
(2) Johansson, D., 2010, Measured Occupancy levels in 12 School class rooms.
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SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Unidades de expansão directa.
EER (Kw frio / kW consumidos)
7
6
Actualmente há unidades
com EER nominal de 6,0
e COP de 6,12 !
5
4
3
2
EER médio1>3,20
1996 são
1998
60% das unidades
Classe2000
A!
2002
EER máx
2004
ANO
EER med
2006
2008
2010
EER min
Até 2006 ; ref. Saheb, Pierrot, Becirspahic / após 2006 ; pesquisa na base de dados da Eurovent
Traemos al presente el futuro de la construcción!
2012
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Unidades de expansão directa.
EER de splits de conforto certificados.
Março de 2010.
6,00
5,00
Splits certificados pela
Eurovent
EER
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
Potência de refrigeração (kW)
Traemos al presente el futuro de la construcción!
12,00
13,00
14,00
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Unidades de expansão directa.
EFICIÊNCIA A DIFERENTES TEMPERATURAS EXTERIORES.
DAKIN FTXR28EV1B9+RXR28EV1B9
(Temperatura ambiente interior = 27ºC)
15
13.74
14
13
11
9.86
1010.85
8.51
9
EER
Temperatura exterior média de
Lisboa
11.55
12
9.29
8
7.25
8.09
7
6.38
7.10
6
5.63
5.33
6.18
5
5.00
4.45
5.56
5.04
4
Em
condições de carga
3
parcial atingem-se EER
2
muito
elevados
1
4.81
4.59
4.20
Condições
EUROVENT
0
0
5
10
15
20
25
30
Temperatura Exterior (ºC)
EER sobre a potência total
EER sobre a potência sensível
Traemos al presente el futuro de la construcción!
35
40
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Eficiência de chillers.
Eficência versus carga do chiller e temperatura de entrada no condensador
Para baixas diferenças entre a
temperatura no evaporador e no
condensador atingem-se EER
muito elevados, superior a 10 !!
12,00
EER (kW frio / kW elect)
10,00
8,00
6,00
4,00
As eficiências mais elevadas
2,00
obtêm-se
para cargas entre 50%
e 75% !
0,00
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
21,0
22,0
23,0
24,0
25,0
26,0
27,0
Temperatura entrada no condensador (ºC)
25%
50%
75%
Traemos al presente el futuro de la construcción!
100%
28,0
29,0
30,0
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Eficiência de chillers.
15,4
24
15,2
14,8
15
14
EER (kW térm / kW eléct)
23
14,5
22
13,4
13,2
13
21
11,8
12
12,1
11,9
20
11
19
10
18
8,7
9
17
Temperatura da água refrigerada produzida = 12ºC
8
16
0
10
20
30
40
50
60
Chiller Load(%)
EER
Chiller de levitação magnética (sem óleo)
Produção de 12ºC usando fonte
Traemos al presente el futuro de
geotérmica entre 18ºC e 20ºC
70
80
EWT
la construcción!
90
100
EWT. Condenser Entering Water Temperature (ºC)
16
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Eficiência de chillers.
24
Aumento do consumo de
aproximadamente 17%, comparado
com produção a 12ºC
15
EER (kW térm / kW eléct)
14
12,8
13
11,4
22
12,9
21
12,0
11,8
12
23
20
11,1
10,7
11
10
19
18
9,6
9,0
8,9
9
17
Temperatura da água refrigerada produzida = 7ºC
8
16
0
10
20
30
40
50
60
Chiller Load(%)
Chiller de levitação magnética (sem óleo)
EER
Produção de 7ºC usando fonte
Traemos al presente el futuro de
geotérmica entre 18ºC e 20ºC
70
80
EWT
la construcción!
90
100
EWT. Condenser Entering Water Temperature (ºC)
16
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Sistemas a água a 15-22ºC.
•
•
•
Conseguem muito elevadas eficiências de produção de frio (EER de
cerca de 10) com baixos diferenciais de temperatura entre o
condensador e o evaporador,
Este facto é a principal vantagem de aplicação de sistemas
funcionando com temperaturas da água mais elevadas do que as
tradicionais (7/12ºC). Estes sistemas baseiam-se em arrefecimento
sensível e são do tipo,
• Vigas arrefecidas,
• Tectos/pavimentos/paredes arrefecidos,
• Unidades convencionais com serpentinas dimensionadas para
temperatura elevadas da água refrigerada.
Para além da maior eficiência da produção de frio não se gasta energia
em arrefecimento latente (desumidificação)
Traemos al presente el futuro de la construcción!
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Conforto adaptativo.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
Conforto adaptativo.
ANSI/ASHRAE STANDARD 55-2004.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
O QUE FAZER NO VERÃO?
Condições prévias;
•
•
•
Arquitectura energeticamente optimizada,
Redução de cargas térmicas de iluminação,
Redução de cargas térmicas de equipamentos,
Solução para temperaturas exteriores médias;
• Em grande parte das horas do Verão os edifícios de serviços poderão
ser tratados apenas com sistemas de ventilação natural transversal
(aberturas em fachadas) cumprindo os critérios de conforto adaptativo,
Solução para temperaturas exteriores extremas;
• Para as horas em que a temperatura exterior é excessivamente
elevada para criar condições de trabalho aceitáveis no interior deverão
adoptar-se sistemas activos de alta eficiência a água a alta
temperatura.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
O QUE FAZER NO VERÃO?
Condições prévias;
•
•
•
Arquitectura energeticamente optimizada,
Redução de cargas térmicas de iluminação,
Redução de cargas térmicas de equipamentos,
Solução para temperaturas exteriores médias;
• Em grande parte das horas do Verão os edifícios de serviços poderão
ser tratados apenas com sistemas de ventilação natural transversal
(aberturas em fachadas) cumprindo os critérios de conforto adaptativo,
Solução para temperaturas exteriores extremas;
• Para as horas em que a temperatura exterior é excessivamente
elevada para criar condições de trabalho aceitáveis no interior deverão
adoptar-se sistemas activos de alta eficiência a água a alta
temperatura.
Solução mais generalizada quando a
implantação
do
veículo
eléctrico
conduzir a menores emissões poluentes
e acústicas do trânsito automóvel.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
O QUE FAZER NO INVERNO?
Condições prévias;
•
•
•
Arquitectura energeticamente optimizada,
Redução de cargas térmicas de iluminação,
Redução de cargas térmicas de equipamentos,
Solução para baixas densidades de ocupação;
• Aquecimento por meios passivos ou por bombas de calor de alta
eficiência a baixa temperatura,
Solução para elevadas densidades de ocupação;
• Soluções de free-cooling directo (no ar),
• Soluções de free-cooling indirecto (na água),
• Soluções de arrefecimento activo de alta eficiência.
(soluções para os dias em que as condições meteorológicas, temperatura, vento ou
chuva não permitam funcionar com os sistemas de ventilação natural transversal)
Traemos al presente el futuro de la construcción!
PARADIGMA FUTURO
• Cargas internas baixas (iluminação e equipamentos),
• Soluções
arquitectónicas
optimizadas
relativamente
à
eficiência
energética,
• Sistemas de climatização optimizados relativamente à eficiência
energética,
• Temperatura ambiente interior em conformidade com critérios de
conforto adaptativo,
• Ambiente exterior de qualidade devido à implantação do veículo
eléctrico, permitindo a maior viabilidade de sistemas de ventilação
natural transversal,
• Produção energética descentralizada.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
PROCEDIMENTO PARA NZEB
1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas),
2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial),
3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de
projeto ,
4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma
quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia
previsto para o edifício.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
PROCEDIMENTO PARA NZEB
1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas),
2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial),
3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de
projeto ,
4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma
quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia
previsto para o edifício.
A principal causa para o fracasso de projetos NZEB tem sido a
incapacidade de previsão correta do consumo de energia do edifício.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
PROCEDIMENTO PARA NZEB
1. Otimização de soluções passivas (arquitetura, soluções construtivas),
2. Otimização de soluções ativas (climatização e iluminação artificial),
3. Prever corretamente o consumo de energia do edifício na fase de
projeto ,
4. Dimensionar o sistema renovável (fotovoltaico) para fornecer uma
quantidade de energia igual ou superior ao consumo de energia
previsto para o edifício.
A principal causa para o fracasso de projetos NZEB tem sido a
incapacidade de previsão correta do consumo de energia do edifício.
Necessário desenvolver procedimentos de simulação dinâmica
detalhada que conduzam a resultados mais fiáveis.
Traemos al presente el futuro de la construcción!
Boa Sorte para o desafio NZEB!
Traemos al presente el futuro de la construcción!