Desenvolvimento de metodologia de avaliação da eficiência energética do envoltório de edificações não-residenciais

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia CivilO racionamento de energia ocorrido em 2001 foi o marco para promulgação da chamada lei de eficiência energética, a Lei no 10295 que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. Ela foi regulamentada pelo Decreto no 4059 de 19 de dezembro de 2001 que estabeleceu que deveriam ser criados parâmetros referenciais para a eficiência energética em edificações, com "indicadores técnicos e regulamentação específica" para estabelecer a obrigatoriedade dos níveis de eficiência no país. O decreto também criou o "Grupo Técnico para Eficientização de Energia nas Edificações no País" para propor uma forma de regulamentar as edificações construídas no Brasil visando o uso racional da energia elétrica. Em face destas condicionantes, esta tese tem por objetivo elaborar metodologia de avaliação da eficiência energética do envoltório de edificações comerciais e institucionais. Inicialmente, um estudo de campo foi realizado para sanar a ausência de dados de características de edificações comerciais e institucionais e de uso da energia e formar bases para a criação de modelos representativos de certas atividades. Foram selecionadas três atividades para formar cinco modelos de edificações: grandes e pequenos escritórios, grandes e pequenas lojas e hotéis. As características do envoltório como área de janela, tipo de vidro, existência de dimensões de proteções solares, proporção das menores fachadas em relação às maiores, número de pavimentos e forma foram observados em 1103 edificações distribuídas em cinco cidades brasileiras: Recife, Salvador, Belo Horizonte, São Paulo e Florianópolis. As características mais comuns encontradas para cada atividade formaram modelos representativos. Elas foram complementadas com características internas de edificações de Florianópolis que se assemelhavam aos modelos representativos. Um sexto modelo foi criado exclusivamente para complementar o desenvolvimento de uma equação de regressão linear multivariada. Os modelos representativos foram adaptados para criar protótipos representativos e protótipos ineficientes para simulação computacional do desempenho energético no programa Energy Plus. Além destes modelos, alternativas contendo soluções mais eficientes também foram simuladas. Características primárias (Densidade de Carga Interna, eficiência do condicionamento de ar, orientação solar das edificações, volumetria) foram avaliadas através de simulação para verificar sua influência no impacto do envoltório sobre o consumo de energia. Características secundárias do envoltório foram simuladas com a inclusão gradativa de Medidas de Conservação de Energia, MCE, aos protótipos ineficientes. O critério de simulação e de inclusão de MCE foi a seleção da alternativa cuja medida proporcionava o menor Custo da Energia Conservada, CEC. As simulações cuja eficiência do condicionador de ar de janela era A e orientação das maiores fachadas era a N-S propiciaram o desenvolvimento de duas equações de regressão, relacionadas à volumetria da edificação a ser analisada. Elas contêm variáveis de Fator de Forma, FF (Aenvoltório/V); Fator Altura, FA (Acobertura/Atot); Densidade de Carga Interna, DCI; padrão de uso; Percentual de Área de Janela na Fachada, PJF; Fator Solar, FS; Ângulo Vertical de Sombreamento, AVS; Ângulo Horizontal de Sombreamento, AHS; Transmitância Térmica da cobertura, Ucob; sendo que a Transmitância Térmica das paredes foi eliminada da equação. Esta última apresentou uma complexidade que não pôde ser descrita por uma equação linear, visto que tem relação com o clima, com a volumetria da edificação, com a capacidade térmica das paredes externas e com as cargas internas. A Densidade de Carga Interna e o padrão de uso foram transformados em constantes, de forma que as equações focam o estudo do envoltório. Após desenvolvidas as equações, o Indicador de Consumo obtido e os indicadores de custos: Pay-back, Taxa Interna de Retorno, Custo da Energia Conservada e Custo do Ciclo de Vida foram utilizados para avaliação da eficiência energética do envoltório. O Custo da Energia Conservada mostrou ser o mais adequado devido à sua simplicidade de cálculo, à redução das incertezas embutidas nas suas variáveis e à interpretação que fornece, combinado benefícios financeiros anuais à economia de energia que a medida proporciona. Todos estes indicadores, entretanto, podem ser utilizados para avaliações comparativas dentre o mesmo modelo de edifício, e podem ser adequados para a avaliação da eficiência de acordo com a análise a ser efetuada. Os objetivos de tese foram assim alcançados ao apresentar equações para avaliação da eficiência e indicadores de custos relacionados à eficiência do envoltório

ANÁLISE DO PROCESSO DE OTIMIZAÇÃO DO DESEMPENHO DE UNIDADES HABITACIONAIS COM USO DO HONEYBEE

The Simulation-Based Optimization (SBO) method differs from conventional design methodology, as its main focus is the building’s performance, without failing to take into account the traditional aspects of design. When associated with parameterization, it can be explored to create solutions appropriated for specific shape and performance criteria. This method is achievable through the interoperability between digital performance and modeling software, such as Grasshopper, a parametric modeling plug-in for Rhinoceros, and HoneyBee, a plug-in for Grasshopper that connects the parameterized model to Energy Plus. Octopus is a plug-in connected to Grasshopper that allows trade-offs between variables to be combined by genetic algorithms and indicates modifications to the model based on the data provided. This study aims to analyze the thermal performance optimization process of an autonomous housing unit through the SBO method. Shape variation parameters were evaluated in function of thermal performance criteria depending on two objectives: reducing the cooling and heating degree-hours. The results enabled the shape analysis of the models and the identification of predominant characteristics of best and worst solutions for winter and summer conditions, as well as a study of simulation controlling termination criteria. Keywords: Parameterization, Thermal Performance,  Simulation-based Optimization; Grasshopper; OctopusO método de Otimização Baseada em Simulação (OBS) difere-se da metodologia convencional de projeto, tendo seu principal foco no desempenho ambiental de edificações, porém sem desconsiderar os demais aspectos tradicionais do projeto. Quando associado à parametrização, pode ser explorado para criar soluções adequadas aos critérios formais e desempenho pré-determinados. Este método é possível através da interoperabilidade entre programas de desempenho e modelagem digital, como Grasshopper, um plug-in de modelagem paramétrica para o Rhinoceros, e o HoneyBee, plug-in para Grasshopper que conecta o modelo parametrizado ao Energy Plus. O Octopus é o motor de otimização conectado ao Grasshopper que toma decisões das variáveis a combinar por algoritmos genéticos, e propõe alterações no modelo com base nos dados fornecidos. Este estudo objetiva analisar o processo de otimização do desempenho térmico de uma unidade habitacional pelo método de OBS. Parâmetros de variação formal da unidade foram analisados em função de critérios de desempenho térmico, condicionados a dois objetivos: reduzir os graus-hora de resfriamento e graus-hora de aquecimento. Os resultados permitiram análises formais dos modelos e identificação das características predominantes das melhores e piores soluções para as condições de inverno e verão, além de um estudo do critério de parada da simulação. Palavras-chave: Parametrização, Desempenho térmico, Simulação baseada em Otimização, Grasshopper, Octopu

Diferenças na simulação do consumo de energia elétrica em edificações decorrentes do uso de arquivos climáticos de sítios e anos distintos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Gradução em Engenharia Civil.O arquivo climático pode apresentar diferenças quando medido em estações climáticas distintas de uma mesma cidade. Visando avaliar as diferenças de consumo de edificações simuladas em sítios distintos em uma mesma cidade e em diferentes anos, dois protótipos de edificações foram modelados no VisualDOE 2.61 para simulação em 3 cidades: um mais sensível às variações do ambiente externo e outro menos sensível. 20 arquivos climáticos foram selecionados de acordo com a disponibilidade de dados registrados. Dados climáticos ausentes foram interpolados, fatores climáticos quando não medidos foram estimados, equações para estimativa da radiação solar global foram ajustadas para outras cidades. O resultado indicou diferenças de consumo entre sítios que variam em função do tipo de dado climático, como a radiação solar ou os graus hora

Parâmetros e métodos adotados no regulamento de etiquetagem da eficiência energética de edifícios – parte 2: método de simulação

A descrição dos métodos de avaliação do regulamento de eficiência energética de edifícios do Programa Brasileiro de Etiquetagem está contida em dois artigos. A primeira parte apresenta e discute o método prescritivo. A segunda parte refere-se ao método de simulação e suas aplicações, em que são discutidas questões acerca da simulação envolvendo o desempenho do edifício condicionado e o uso da simulação de ventilação natural, mas com enfoque no entorno do edifício condicionado e o aproveitamento da luz natural. Para tanto, um edifício real foi simulado de acordo com o método do Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C), com e sem sombreamento do entorno e com e sem brises. Seu modelo de referência foi também simulado, com e sem sombreamento do entorno. Os resultados de consumo anual foram comparados para avaliar o potencial de economia de eletricidade de cada modelo em relação a duas opções de modelos de referência. Essas duas opções foram também discutidas, mostrando por que o modelo de referência não deve possuir sombreamento no entorno para a simulação, segundo o RTQ-C

Parâmetros e métodos adotados no regulamento de etiquetagem da eficiência energética de edifícios – parte 1: método prescritivo

O Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos foi publicado no Brasil em fevereiro de 2009 como parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem do INMETRO. Contém dois métodos de avaliação: o método prescritivo e o método de simulação. Neste artigo, o método prescritivo é rapidamente descrito para que seus fundamentos sejam discutidos, indicando especificidades e aplicações do método. É apresentada a aplicação deste método em um edifício existente, considerando 13 alternativas para a determinação dos níveis de eficiência da envoltória, sistema de iluminação e sistema de condicionamento de ar. Mostrou-se os casos nos quais o método de simulação é mais indicado que o prescritivo, por limitações deste último - os resultados variaram de níveis de eficiência A, mais elevados, a E, de baixa eficiência. Dessa forma, mostrou-se o potencial de avaliação do método prescritivo

Modelagem generativa integrada à eficiência energética: estudo da otimização da forma de edificações institucionais

Decisions making in architectural design early stages have a significant impact on energy efficiency and internal performance of buildings. A design process that utilizes energy efficiency parameters in early stages can accelerate the creation process and adding value to the design, as well as contributing to user well-being and environment improving. The purpose is verify the potential integration generative modeling to energy efficiency, through the form optimization integrated to Inmetro PBE Edifica prescriptive method of envelope energetic performance. Therefore, an equation of RTQ-C Consumption Indicator for bioclimatic zone 3 applied to study of institutional buildings. Initial parallelepiped form was programming in Rhino / Grasshopper software. The variables was defined according to RTQ-C prescriptive method equation, such as building length, width and height, openings height, glasses solar factor and vertical shading angle. The genetic algorithm used to generate the best form to meet energy efficiency parameters. Other volumetric possibilities were studied, being these: horizontal multiplication, vertical multiplication with rotation and vertical multiplication of unique form. The forms obtained the efficiency level A from RTQ-C traditional method application, which proves a viability of proposed method. In this way, it is possible to perceive the potentialities of generative modeling integrated to energy efficiency, which can revolutionize the architect design.Keywords: generative modeling, RTQ-C, energy efficiency.Sabe-se que decisões tomadas nos estágios iniciais de projeto arquitetônico têm impacto significativo na eficiência energética e desempenho interno dos edifícios. Um processo de projeto que utilize como parâmetros os conceitos de eficiência energética desde as etapas iniciais, pode acelerar o processo de criação agregando valor ao projeto, além de contribuir de maneira eficiente para o bem-estar do usuário e melhoria do meio ambiente. O objetivo deste artigo é verificar o potencial permitido pela integração da etiquetagem à modelagem generativa, através da otimização da forma integrada ao método prescritivo de desempenho energético da envoltória do Programa Brasileiro de Etiquetagem de edifícios do Inmetro, o PBE Edifica. Para isso, utilizou-se a equação do Indicador de Consumo do RTQ-C para a zona bioclimática 3 no item envoltória, aplicada ao estudo de edificações institucionais. Inicialmente, foi realizada a programação de uma forma inicial paralelepipédica utilizando os programas Rhino/Grasshopper. As variáveis do modelo foram definidas de acordo com a equação do método prescritivo do RTQ-C, sendo estas: comprimento, largura e altura da edificação, altura das aberturas, fator solar dos vidros e ângulo vertical de sombreamento das proteções solares horizontais. A evolução automatizada foi utilizada para gerar a melhor forma que se adeque aos parâmetros de eficiência energética. Outras possibilidades volumétricas foram também estudadas, sendo estas: multiplicação horizontal, multiplicação vertical com rotação e multiplicação vertical de forma única. A partir da aplicação do método tradicional proposto pelo RTQ-C, verificou-se que as volumetrias obtiveram nível de eficiência A, o que comprova a viabilidade do método proposto. Deste modo, pode-se perceber as potencialidades da modelagem generativa aliada à eficiência energética, que pode revolucionar o modo de projetar do arquiteto preocupado com as questões ambientais.Palavras-chave: modelagem generativa, RTQ-C, eficiência energética

Análise energética de sistemas solares térmicos para diferentes demandas de água em uma residência unifamiliar

Vários países têm utilizado a energia solar com a finalidade de reduzir a dependência de combustíveis fósseis e as emissões de gases de efeito estufa. Os edifícios comerciais, públicos e residenciais são responsáveis por 47,6% do consumo de energia elétrica no Brasil. O chuveiro elétrico é o equipamento com maior participação de consumo em residências brasileiras, seguido da geladeira e do ar-condicionado. Objetivou-se com este trabalho analisar a eficiência energética de um sistema solar térmico com apoio elétrico para atender diferentes demandas de água quente em uma residência unifamiliar, comparativamente ao uso de chuveiro elétrico. No dimensionamento do sistema solar foram considerados parâmetros do Programa Brasileiro de Etiquetagem de edifícios e da norma técnica NBR 15569/2008. O aquecedor solar foi simulado pelo programa EnergyPlus nas condições climáticas de Viçosa, Minas Gerais. Entre outras variáveis, foram avaliadas a fração solar do sistema, a energia transferida ao coletor solar, a energia armazenada no reservatório térmico e o consumo de energia elétrica pelas duas opções de aquecimento. Foi verificado que a substituição do chuveiro elétrico pelo aquecedor solar com backup elétrico provocou uma redução média de 70% no consumo de energia elétrica destinado a aquecimento de água e 36% no consumo total de energia elétrica da residência

Impactos de medidas de conservação de energia propostas no PBE Edifica para o nível de eficiência energética de envoltórias de um edifício naturalmente condicionado

Na versão de 2010, os Requisitos Técnicos da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais de Serviços e Públicos (RTQ-C) apresentam características para avaliação que não foram quantificadas, tendo sido desenvolvidas conceitualmente. O objetivo deste artigo é avaliar esses impactos por meio da simulação de um edifício naturalmente condicionado, utilizado para esta pesquisa, com a aplicação de medidas de conservação de energia: parede envidraçada com câmara de ar e alvenaria, brises triangulares, brises horizontais paralelos à fachada, aberturas zenitais, absortância das paredes externas, todos comparados com um caso-base, um edifício sem proteções solares. A simulação no EnergyPlus forneceu temperaturas operativas cujos limites de conforto foram determinados de acordo com a ASHRAE Standard 55. O caso-base apresentou nível de eficiência B, e a alternativa com parede envidraçada com câmara de ar e alvenaria, com fator solar de 0,83, apresentou nível de eficiência A; todas as demais apresentaram nível de eficiência B, devido ao desconforto por frio na zona bioclimática 3. A alternativa com brises horizontais paralelos à fachada, com aletas de 25 cm, apresentou o menor equivalente numérico. Percebeu-se a necessidade de mensuração de variáveis similares em outros modelos de edifícios naturalmente condicionados e para outras localidades pertencentes à zona bioclimática, a fim de confirmar as potencialidades e limitações de tais medidas no RTQ-C

Thermal modeling of semi-transparent photovoltaics: impacts on the cell efficiency and on the zone performance

In semi-transparent photovoltaic (STPV) systems, the heat accumulated in the back of the panels can be transmitted to the thermal zone and contribute to the heating effects. It can even cause an increase in the temperature of the photovoltaic (PV) cell, which reduces the efficiency of the system. This article aims to develop, through EnergyPlus software, a modeling method of the thermal properties of an STPV system, to evaluate the influence of the heat generated by the PV system in the internal temperature of the simulated environment and in the efficiency of the PV system itself. The method included computational simulations, in which we proposed STPV systems combined with different window configurations: single and double glazing, different thicknesses for the air gap, and high-performance glass. Shading devices play the role of the PV material to retrieve its thermal properties. The simulations showed that the STPV materials influence the thermal conditions of the zone, due to the increase in the mean air temperature (3.3°C) and the increase in the surface temperature of the windows (17.4°C). The differences among the window models were more significant in the thermal issues than in the variations of the PV system efficiency. The results confirm that the most used case in the literature presented the best performance, what strengthens the reliability of the proposed method.

Parameterization and solar radiation simulation for optimization of a modular canopy

This study perceives the developing process of a parameterization modeling in Grasshopper® for complex surfaces using building simulation, considering diffuse and beam radiation as the key-variables. The primary goal of this article is to create, simulate and optimize a modular, semi-opened canopy based in retro-studies of tree leaves as engineering structures. The method applied consisted of the definition of parameters and criteria for the optimization of the simulation process and was divided into three stages: a study of form, form parameterization, and simulation and optimization. Ladybug® for Grasshopper® plugin was used to carry out the simulations, and Octopus® was used as a motor for optimizing the final script. The object of study chosen was the process of creation of a canopy because, in hot and humid climates, such as in Brazil, the roofing areas are a critical part of the building envelopes that are highly susceptible to solar radiation and other environmental changes, thereby, influencing the indoor comfort conditions for the occupants. Although the final product was created for a specific climate zone, it can be applied to any other zones with a few changes in the parameters due to parameterization. As main results, the solar control devices contributed to a reduction of 86% of the annual average of hourly beam solar radiation while maintaining high levels of diffuse radiation