Ventilated passive cooling : climatic cooling potential and cooling demand savings analysis at a large spatiotemporal scale

Tese de doutoramento, Sistemas Sustentáveis de Energia, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Buildings are the largest energy consuming sector, above industry and transportation, which places them as one of the major greenhouse gases emitters. Building thermal conditioning represents nearly 50% of their total energy use, mostly heating; however, trends show an increase in air-conditioning adoption for cooling, and, moreover, global warming will probably boost this tendency. The present thesis main goal is to contribute to the characterization of passive cooling systems, and their operating strategies, to reduce buildings energy demand for cooling. For that, first, one has developed a model able to estimate the cooling demand savings based on the climatic cooling potential (CCP) for different ventilated passive cooling systems for buildings. The CCP expresses the cooling load that a passive system can bring to a building as compared with standard ventilation from outdoor. The model was validated with extensive numerical simulations using the thermal simulation tool TRNSYS. For the 7,776 cases simulated, the model was able to reproduce the cooling demand savings with an error below 1% when compared to TRNSYS. In a second phase, using the same model and results from the Weather Research and Forecasting Model (WRF) forced by the global atmospheric reanalysis ERA-Interim, the CCP for direct ventilation and evaporative cooling was computed for the Iberian Peninsula. In a third phase, the WRF forced by the earth system model EC-EARTH for present and future climates allowed to assess the climate change impact on the CCP over Iberia, both for direct ventilation and evaporative cooling. The future simulations follow the Representative Concentration Pathway scenario RCP8.5 from IPCC. The results show that the CCP for both direct ventilation and evaporative cooling is expected to decrease by the end of the century due to increased air temperatures; nevertheless, the future CCP is at most 40% lower than the present CCP. Finally, a comparative analysis between present and future climates cooling degree hours for Iberia was carried out. The results show that, generally, future cooling degree hours increase 2.5 times comparing to the present, which is a higher increase than the corresponding decrease in the CCP. The model developed, as well as the spatiotemporal datasets derived from it, can be used to estimate the cooling demand savings associated to the use of direct ventilation and evaporative cooling in buildings for Iberia. The proposed methodology can be easily extended for other regions or climates.O sector dos edifícios é o maior consumidor energético, acima da indústria e do transporte. Este facto coloca o sector dos edifícios como um dos maiores responsáveis pela emissão de gases com efeito de estufa. O aquecimento e arrefecimento representa cerca de 50% da energia utilizada dentro dos edifícios, e, embora a maior fração desta energia se deva ao aquecimento do espaço, a tendência tem vindo a mostrar um aumento do número de aparelhos de ar-condicionado. Além disso, a problemática do aquecimento global contribuirá ainda mais para este aumento bem como para o aumento da quantidade de energia despendida no arrefecimento dos espaços dentro dos edifícios. Esta tese tem como principal objetivo contribuir para a caracterização dos sistemas de arrefecimento passivos com recurso a ventilação e das suas estratégias operacionais, possibilitando assim uma redução do consumo energético associado ao arrefecimento dos espaços nos edifícios. Para isso, numa primeira fase deste estudo, desenvolveu-se um modelo baseado no potencial climático de arrefecimento. Este modelo integra temporalmente o produto entre o caudal de ventilação de um dado sistema de arrefecimento passivo e as diferenças entre a temperatura de conforto do edifício durante a época de arrefecimento (aqui definida igual a 26ºC) e a temperatura do ar fornecido pelo sistema de arrefecimento passivo. Do modelo, designado de Potencial Climático de Arrefecimento, ou Climatic Cooling Potential (CCP), resulta o potencial de arrefecimento, ou, a quantidade máxima de energia térmica que um dado sistema de arrefecimento passivo sujeito a um determinado caudal de ventilação é capaz de extrair de um edifício num dado intervalo de tempo, em kWh. Os resultados provenientes do modelo CCP são comparados com as necessidades de arrefecimento do edifício num determinado intervalo de tempo, sendo que do valor mínimo entre as necessidades de arrefecimento e o CCP, nesse mesmo intervalo de tempo, resulta o potencial útil de arrefecimento ou Useful Cooling Potential (UCP). O UCP representa a quantidade de energia que se poderá poupar no arrefecimento de um edifício fazendo uso de um determinado sistema de arrefecimento passivo. Nesta tese aplicaram-se os modelos suprarreferidos, a diferentes sistemas de arrefecimento passivos com recurso a ventilação, nomeadamente, ventilação direta, tubos enterrados, arrefecimento evaporativo, sistema de desfasamento térmico (phase shifter), e combinações entre estes. O modelo do CCP foi aplicado a cada um dos sistemas de arrefecimento passivo para uma base de dados climática horária da região de Genebra, Suíça, para os anos de 2003 e 2004. Além disso, paralelamente, conduziram-se uma série de simulações através do software de simulação térmica TRNSYS. As simulações via TRNSYS foram conduzidas para a mesma base de dados climática, utilizada no modelo do CCP. Estas simulações tiveram em conta a simulação integrada de cada um dos sistemas de arrefecimento passivo em foco, bem como as suas combinações para um edifício típico, onde se fez variar o tipo de isolamento, inércia térmica, ganhos internos, área de envidraçado e proteção solar exterior, resultando num total de 7,776 casos diferentes. Posteriormente, dos dados das necessidades de arrefecimento provenientes das simulações TRNSYS, para os casos em que não foram utilizados sistemas de arrefecimento passivos (casos de referência), e dos dados do modelo CCP, calculou-se o UCP. O UCP foi calculado tendo em conta dados horários, diários, semanais e mensais das necessidades de arrefecimento do edifício, e foi comparado com os resultados provenientes da simulação TRNSYS para cada um destes intervalos de tempo, para cada sistema de arrefecimento passivo e solução construtiva. Desta análise, verificou-se que que os dados das necessidades de arrefecimento para os quais o modelo do UCP produz os resultados da simulação via TRNSYS com menor erro são os dados diários. Nestes casos, o erro médio entre a poupança energética calculada através do TRNSYS e do modelo proposto é inferior a 1% (considerando a totalidade dos 7,776 casos). Nos casos em que se procedeu ao cálculo do UCP baseando-se em dados horários das necessidades de arrefecimento, o valor da poupança energética associada ao uso dos sistemas passivos é subestimado face aos resultados das simulações via TRNSYS. Para os casos em que se procedeu ao cálculo do UCP com base nos dados semanais e mensais das necessidades de arrefecimento, as poupanças via modelo UCP são sobrestimadas face aos resultados das simulações TRNSYS. No entanto, mesmo para o pior dos casos (dados horários das necessidades de arrefecimento), o coeficiente de correlação estatístico (R2) entre o modelo UCP e as simulações TRNSYS é superior a 0,95. Para o casos em que se utilizaram dados mensais das necessidades de arrefecimento, o valor de R2 é superior a 0,96. Assim, na primeira fase deste estudo, desenvolveu e validou-se um modelo capaz de estimar as poupanças energéticas associadas ao uso de diferentes sistemas de arrefecimento passivo por ventilação para uso em edifícios. O modelo não recorre a simulação térmica e é “independente das características do edifício”, sendo que para uso do mesmo, são apenas necessários os dados das necessidades de arrefecimento do edifício em causa, sejam estes dados horários, diários, semanais e/ou mensais. Numa segunda fase, face à boa correlação entre o modelo UCP e as simulações TRNSYS, o modelo foi adaptado por forma a que pudesse ser expresso em unidades de energia por volume (kWh/m3), e dessa forma possibilitar o mapeamento do CCP a uma larga escala espaciotemporal. Nesta fase do estudo, através da adaptação do modelo do CCP e fazendo uso de uma base de dados climática de alta resolução espácio-temporal, foi possível realizar um mapeamento ao nível da Península Ibérica do potencial de arrefecimento passivo possibilitado pelo uso dos sistemas de ventilação direta e arrefecimento evaporativo em edifícios. A base de dados climática utilizada foi criada através do modelo numérico de mesoescala atmosférico para a predição climática Weather Research and Forecasting (WRF), forçado pela reanálise ERA-Interim e comtempla um total de 21870 pontos inclusos na Península Ibérica, para os quais existem registos horários das variáveis meteorológicas. Numa terceira e última fase deste estudo, visando o impacto das alterações climáticas no comportamento dos sistemas de ventilação direta e arrefecimento evaporativo, o modelo WRF, forçado pelo modelo do sistema terra EC EARTH foi comparado face às simulações forçadas pela ERA-Interim, concluindo-se que as simulações forçadas pelo modelo EC-EARTH podem ser utilizadas para simulação do clima futuro. Assim, o modelo EC EARTH foi utilizado para os climas presente e futuro, permitindo-se avaliar o efeito da mudança climática no potencial de arrefecimento passivo na Península Ibérica para estes sistemas. As simulações de clima futuro do modelo EC-EARTH integram os dados das concentrações de CO2 do Representative Concentration Pathway scenario 8.5 (RCP8.5) do IPCC. Os resultados mostram que embora exista um decréscimo do potencial de arrefecimento passivo, devido ao aumento das temperaturas no final do século, este decréscimo é no máximo 40%. Por último, e de forma complementar, procedeu-se a uma análise comparativa entre os graus hora de arrefecimento para os climas presente e futuro, mostrando-se que os graus hora de arrefecimento aumentam em cerca de 2,5 vezes face ao presente, o que representa um aumento maior do que o decréscimo que se verifica no potencial de arrefecimento passivo para o clima futuro. O modelo aqui desenvolvido, bem como as bases de dados que dele derivam, podem ser facilmente utilizados para estimar as poupanças energéticas associadas ao uso dos sistemas de ventilação direta e arrefecimento evaporativo em edifícios na Península Ibérica. A metodologia aqui proposta pode ser utilizada noutras regiões e climas