Análise da estratégia de ventilação híbrida para a redução do consumo de energia elétrica em edificações comerciais para o clima de Florianópolis

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2016.Uma forma de reduzir os gastos com sistemas de condicionamento artificial é utilizar a ventilação híbrida (alternância entre o uso da ventilação natural e o do condicionamento artificial). O objetivo deste trabalho é avaliar o potencial de economia de energia elétrica a partir da utilização de ventilação híbrida em edificações comerciais, levando em consideração o clima de Florianópolis, SC. Para atingir esse objetivo, foi definida uma tipologia comercial eficiente energeticamente. Nessa tipologia foi estabelecido o valor de absortância solar e visível das superfícies das paredes externas e da cobertura em 0,2 e adicionadas aberturas internas. Além disso, foram dimensionados brises a fim de reduzir os ganhos térmicos por radiação solar e aumentar a economia de energia elétrica. Essa tipologia comercial foi simulada, utilizando-se o programa EnergyPlus, em cinco casos. Em três casos o sistema de ar-condicionado foi operado, durante o período de ocupação (8h às 18h de segunda a sexta-feira) com as temperaturas de setpoint: 1) 23ºC para resfriamento, 2) 25ºC para resfriamento e 3) 20ºC para aquecimento e 25ºC para resfriamento. Já dois casos foram operados com ventilação híbrida durante o período de ocupação: no primeiro o sistema de ar-condicionado foi acionado na função de resfriamento, com a temperatura de setpoint de 25ºC; e no segundo na função de resfriamento e aquecimento, com a temperatura de setpoint de, respectivamente, 25ºC e 20 ºC. Em ambos os casos, a ventilação natural ocorreu quando a temperatura do ar esteve entre 20ºC e 25ºC. Foi analisada a economia de energia com resfriamento a partir da utilização da estratégia de ventilação híbrida. Como resultados, verificou-se que no sistema de ar-condicionado, que corresponde à utilização de resfriamento, ventiladores e aquecimento (quando houver), o que mais influencia no gasto de energia é o consumo com resfriamento, sendo esse valor de até 95% do sistema de ar-condicionado. Ao considerar o setpoint de 23ºC para resfriamento no caso operado com o sistema de ar-condicionado, a partir da utilização de ventilação híbrida, a economia de energia com resfriamento chegou a 56%. Ao comparar os casos em que o setpoint de resfriamento foi igual ao acionado no sistema de ventilação híbrida (25ºC), a economia de energia com resfriamento foi de 28%. Verificou-se também que, ao analisar cada ambiente de escritório, a orientação solar pouco influenciou no consumo com resfriamento em função da adição de brises nas fachadas norte, leste e oeste. No entanto, como a absortância solar e visível da superfície de cobertura foi de 0,2, o maior consumo com resfriamento foi no andar intermediário e semelhante nos andares térreo e superior. Ao aumentar a absortância solar e visível da superfície de cobertura de 0,2 até 0,8, o consumo com resfriamento aumentou no andar superior e ficou maior que no andar térreo e intermediário. Ao examinar o percentual de horas com a temperatura do ar acima de 25ºC na edificação ou nos ambientes, constatou-se que esse valor foi igual ao percentual do número de horas não atendidas pelo sistema de ar-condicionado na função de resfriamento; portanto, o sistema de ventilação híbrida funciona de acordo com as temperaturas de controle propostas. Como o controle utilizado no programa EnergyPlus para ventilação híbrida considera a temperatura do ar (a mesma empregada no sistema de ar-condicionado), o percentual de horas ocupadas acima da temperatura de 25ºC ou abaixo de 20ºC foi maior para a temperatura operativa do que para a temperatura do ar. Durante a análise do funcionamento da estratégia de ventilação híbrida observou-se que quanto mais altos os valores de temperaturas externas, maiores o consumo e a utilização do sistema de ar-condicionado.Abstract : One approach to reduce energy use with HVAC (heating, cooling, and air conditioning) systems is to adopt hybrid ventilation, a ventilation system which combines both natural (i.e passive) and mechanical (i.e active) ventilation. The aim of this study was to evaluate the energy saving potential from the use of hybrid ventilation on commercial buildings located in Florianópolis, Santa Catarina. To achieve this objective, an energy efficient commercial typology was developed. In this typology, the value of solar absorptance of the exterior walls and roof was set at 0.2, and interior openings were added; additionally, the brise soleil was dimensioned to reduce thermal gains by solar radiation and to increase energy savings. This commercial typology was simulated with the EnergyPlus software in five case studies. In three case studies, the air conditioning system had its setpoint at: 1) 23ºC for cooling, 2) 25ºC for cooling, and 3) 25ºC for cooling and 20°C for heating during the occupancy time (8 a.m. to 6 p.m., from Monday until Friday). The other two cases were operated with hybrid ventilation during the occupancy time. The first case had its setpoint temperature at 25ºC for cooling while the second case was set at 25°C for cooling and 20ºC for heating. In both cases natural ventilation occurred when the air temperature was between 20ºC and 25ºC. The cooling energy saving potential, with the application of the hybrid ventilation strategy was analyzed. The results have shown that among the HVAC modes, cooling is the most energy demanding, representing up to 95% of the total energy consumption. Considering the setpoint of 23ºC for cooling, the use of hybrid ventilation resulted in a cooling energy saving potential of 56%. When comparing the cases studies in which the cooling setpoint was the same (25ºC), the cooling energy saving potential with hybrid ventilation was 28%. Considering the offices' locations in the building, the solar position had little influence on the consumption with cooling, due to the addition of the brise soleil on the north, east, and west facades. On the other hand, as the solar absorptance of the roof was set at 0.2, the major cooling demand was in the intermediate floor, whilst it remained similar at ground and top floor. When increasing the solar absorptance of the roof from 0.2 until 0.8, the consumption with cooling increased in the top floor and became higher than in the ground and intermediate floors. When analyzing the hours in which the air temperature was above 25ºC in the building or internal areas, the result was equal to the hours that the air conditioning system did not meet the cooling setpoint. Therefore, the hybrid ventilation system worked in accordance to the proposed setpoint temperatures. As the control temperature employed for hybrid ventilation on the EnergyPlus software considers the air temperature (as does the air conditioning system), the percentage of hours of the occupancy time with temperatures above 25ºC or below 20ºC was higher for operative temperature than for air temperature. During the analysis of hybrid ventilation strategy performance it could be observed that the higher the external temperature, the greater is the consumption and usage of air conditioning systems

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TCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico, Curso de Arquitetura e Urbanism