O edifício de referência foi simulado em ambas as ferramentas de simulação térmica, executando os mesmos passos efetuados para as simulações da Residencial de Santo André em condições reais mas utilizando os valores definidos como de referência segundo a Portaria 349-D/2013.
Para este caso de estudo não foi considerada a área de vãos envidraçados fixo em 30%, tendo-se optado por manter a área de vãos do edifício. Esta opção torna-se possível uma vez que nenhuma das fachadas apresenta uma área de vãos superior a 30% da área de fachada.
Em condições de referência não existe agravamento das pontes térmicas uma vez que é considerado que as envolventes opacas possuem os mesmos materiais de construção em toda a sua extensão em contacto com o exterior.
Uma vez definida a zona climática como I1 V3, foram utilizados os seguintes valores para cada parâmetro:
Tabela 21 - Coeficientes de transmissividade térmica, valores de referência
Zona Climática
Portugal Continental
Zona corrente da envolvente I1
Elementos opacos verticais exteriores ou interiores 0,70
Elementos opacos horizontais exteriores ou interiores 0,50
Vãos envidraçados exteriores (portas e janelas) 4,30
Zona corrente da envolvente (Verão) V3
Fator solar do vão envidraçado (sem dispositivos de sombreamento) 0,25
Segundo o ponto 7 da Portaria 349-D/2013, os valores de referência para uma bomba de calor correspondem a um COP de 2,8 e um EER de 2,7, conforme pode ser observado no ANEXO 6.
Relativamente às necessidades de aquecimento de águas sanitárias, a mesma portaria acima descrita define a eficiência da caldeira de referência em 86% o que perfaz um novo consumo de AQS de 398 987 kWh.
100
100
100
DPI
A
Em
lux
Pc
(2)
onde:Pc – corresponde a Potência total de iluminação de referência em W;
DPI – corresponde ao valor da densidade de potência de iluminação em W/m2/100lux; A – corresponde a área de cada zona térmica em m2;
Em – corresponde a iluminância média mantida retirada em lux.
Recorrendo a fórmula acima descrita obtiveram-se as seguintes potências de iluminação para cada zona térmica:
Tabela 22 - Iluminação do edifício de referência
Zona Térmica Lâmpadas Potência
(W) Área (m 2) Densidade de iluminação W/m2 ZT 01 8 87 16.39 5.31 ZT 02 13 153 28.01 5.46 ZT 03 7 87 16.4 5.30 ZT 04 8 87 15.42 5.64 ZT 05 6 755 33.57 22.49 ZT 06 4 416 20.79 20.01 ZT 07 48 748 115.54 6.47 ZT 08 3 111 7.9 14.05 ZT 09 7 95 17.58 5.40 ZT 10 37 446 83.56 5.34 ZT 11 7 95 17.58 5.40 ZT 12 38 446 83.56 5.34
5.12 Perfis de Utilização
A residencial de Santo André caracteriza-se como um edifício multizona não só por ter fachadas com diferentes orientações ao nível da exposição solar mas também por possuir espaços com finalidades diferentes e, como tal, devem ser separados de forma a permitir um melhor estudo do comportamento térmico de cada um desses espaços. Assim sendo, as doze zonas térmicas definidas foram agrupadas em quatro grandes grupos que, por sua vez, possuem quatro perfis diferentes, o que se traduz num total de 16 perfis de utilização para este edifício. Estes perfis foram baseados nas informações obtidas durante as visitas técnicas e também nos perfis apresentados pelo RSECE. Cada grupo de zonas térmicas possui um perfil de ocupação, um perfil de iluminação interior, um perfil de utilização de equipamentos e um perfil de climatização do espaço. Estes perfis encontram-se no capítulo dos Anexos. É extremamente importante que os perfis utilizados no STE sejam os mesmos dos utilizados no HAP uma vez que estes perfis influenciam diretamente os resultados das necessidades térmicas, principalmente os perfis de climatização e os de ocupação.
A Figura 10 ajuda a percecionar a utilização de cada grupo de perfis criado consoante a atividade da zona térmica.
De forma a validar o parágrafo anterior, foi efetuado um estudo em que se englobou todo o edifício como uma só zona térmica. Para tal, foi necessário desenvolver mais 4 perfis de utilização para a residencial Santo André, sendo estes o resultado de médias ponderadas dos 16 perfis criados para as diferentes zonas térmicas existentes no edifício.
Assim como os restantes perfis, estes perfis encontram-se no capítulo dos Anexos.
61%
12%
25%
2%
QuartosSala de
Refeições Corredor Escritório6. Resultados e Análise
Os resultados obtidos para este caso de estudo foram divididos em dois pontos:
Os resultados referentes aos índices de eficiência energética para o edifício em condições reais e em condições de referência;
Os resultados referentes às necessidades térmicas de aquecimento/arrefecimento e os respetivos consumos anuais de energia para a residencial em condições reais e em condições de referência.
6.1 Cálculo do IEE
Recordando o objetivo desta dissertação de mestrado, a comparação entre as ferramentas de simulação térmica deverá ser feita entre alguns parâmetros sendo o mais importante o IEE final do edifício e a classificação energética correspondente. Este valor é obtido através a divisão entre o Índice de Eficiência Energética previsto e o Índice de Eficiência Energética de referência tal como demonstrado na expressão seguinte:
ref s pr s
IEE
IEE
IEE
, ,
(1)
Para facilitar a perceção do resultado, é atribuído ao valor obtido consoante o intervalo em que se encontra definindo assim a classe energética do edifício em questão conforme o Sistema de Certificação Energética Nacional.
6.2 STE – Monozona
Sendo esta ferramenta de simulação específica para o cálculo de uma única zona térmica e recordando que o edifício foi dividido em zonas térmicas obtiveram-se então 12 IEEs correspondentes ao edifício em condições reais e 12 IEEs calculados para o mesmo em condições de referência, encontrando-se os mesmos no capítulo de Anexos.
Posteriormente foi feita uma média ponderada de forma a determinar o IEEs global de acordo com a influência de cada área térmica definida.
Tabela 23 - Resultado final da Classificação Energética do STE-Monozona IEEs / Área [kwh/m2] R Sit. Real 254,6 1,09 C Sit. Referência 237,2
Tabela 24 - Resultado final da Classificação Energética do STE-Monozona tratando o edifício como uma única zona térmica
IEEs / Área [kwh/m2] R Sit. Real 159,6 1,13 C Sit. Referência 141,0
6.3 HAP
O Hourly Anallysis Program executa uma simulação multizona detalhada mas não está capacitado para calcular os índices de eficiência energética, tendo, os cálculos dos mesmos sido executados numa folha Excel criada para esse propósito. Assim sendo, o HAP executou duas simulações: uma com o edifício em condições reais e outra em condições de referência.
Tabela 25 - Resultado final da Classificação Energética do HAP
IEEs / Área [kwh/m2] R
Sit. Real 317,3
1,30 C Sit.
Referência 243,1
Uma vez que o HAP não contempla as necessidades de AQS do edifício em estudo, a carga térmica e o respectivo consumo de energia associado terão de ser calculados a parte e adicionados a uma folha excel criada para determinar o IEE final.
A tabela 26 demonstra as necessidades de AQS bem como o respetivo consumo energético para suprimir essas mesmas necessidades conforme a situação do edifício em estudo. A tabela apresente as 12 zonas térmicas utilizadas no modelo STE e o total dessas 12 zonas correspondem aos valores utilizados no HAP.
Tabela 26 - Resultados de ocupação e necessidades de AQS
Área [m2] % da Área Total Situação Ocup. Litros por ocupante [L/(dia.occ)] Litros por ocupante [L/(ano.occ)] Energia Global para AQS [kWh/ano] Eficiência da caldeira Eficiência da caldeira [kWh/ano] Consumo associado a AQS [kWh/ano] ZO NA T ÉR M IC A 1 16.39 4% Real 2 80 29200 1528 0.90 1375 1698 Referência 0.86 1314 1777 2 28.01 6% Real 4 160 58400 3057 0.90 2751 3396 Referência 0.86 2629 3554 3 16.39 4% Real 2 80 29200 1528 0.90 1375 1698 Referência 0.86 1314 1777 4 15.42 3% Real 2 80 29200 1528 0.90 1375 1698 Referência 0.86 1314 1777 5 33.57 7% Real 24 Referência 6 20.79 5% Real 5 200 73000 3821 0.90 3439 4245 Referência 0.86 3286 4443 7 115.54 25% Real 4 160 58400 3057 0.90 2751 3396 Referência 0.86 2629 3554 8 7.898 2% Real 2 Referência 9 17.58 4% Real 2 80 29200 1528 0.90 1375 1698 Referência 0.86 1314 1777 10 83.56 18% Real 10 400 146000 7641 0.90 6877 8490 Referência 0.86 6571 8885 11 17.58 4% Real 2 80 29200 1528 0.90 1375 1698 Referência 0.86 1314 1777 12 83.56 18% Real 10 400 146000 7641 0.90 6877 8490 Referência 0.86 6571 8885 T 456.288 100% Real 69 1720 627800 32857 0.90 29572 36508 Referência 0.86 28257 38206
6.4 Análise
De acordo com os resultados obtidos, o edifício em estudo obteve uma classe energética final C segundo escala de classificação energética nacional para edifícios de comércio e serviços, uma vez que ambas as ferramentas utilizadas e todas as metodologias aplicadas resultaram no mesmo espetro de valores que compreendem essa classe energética.
Para facilitar a comunicação e a discussão dos resultados optou-se por identificar os métodos usados como:
STE- Monozona com 12 zonas térmicas com AQS incluído – STE1;
HAP – HAP.
Assim sendo, os resultados são apresentados conforme a Tabela 27.
Tabela 27 - Resultados finais do IEE
STE1 STE2 HAP
IEEs / Área [kwh/m2]
Sit. Real 254.6 159,6 317.3
Sit. Referência 237.2 141,0 243.1
R 1.09 1.13 1.30
Classe Energética C C C
Analisando os resultados obtidos para os IEEs, quando o edifício é simulado em situação real, a diferença obtida entre o STE1 (valor mais próximo) e o HAP corresponde a 63 kWh/m2, o que constitui uma diferença
significativa. O mesmo não se verifica em situação de referência, onde o valor de IEEs ref do STE1 difere do IEEs ref do HAP em cerca de, sensivelmente, 6 kWh/m2. No entanto, a metodologia STE2 encontra-se
consideravelmente afastada do HAP, o que seria expectável.
É importante referir que os resultados obtidos podem não traduzir a realidade do caso de estudo, pois não existem dados de faturação que permitam calibrar os modelos, e assim garantir que o modelo se aproxima da situação real. Estes resultados são uma aproximação tendo em conta informação obtida através das visitas ao local e com base na legislação em vigor no âmbito da certificação energética de edifícios de comércio e serviço.
Outro aspeto a salientar dos resultados obtidos é a diferença de valores de R, ou melhor a diferença entre o C obtido no STE 1 e no HAP. Segundo o STE 1, a residencial de Santo André seria um C muito próximo de um B-, enquanto que, na simulação em HAP, o mesmo edifício seria considerado um C baixo, mais próximo de uma classe D. Com esta diferença de valor final obtido, num outro caso, poderíamos estar perante uma situação em que o STE e o HAP dariam classes energéticas diferentes.
6.5 Outros resultados
Para se efetuar um estudo comparativo, é necessário existirem parâmetros de controlo para verificar que a metodologia foi bem aplicada e que os métodos, ferramentas de simulação neste caso, são passíveis de comparação. No estudo apresentado nesta dissertação, os parâmetros de controlo identificados foram os consumos anuais de energia associados à iluminação interior e ao funcionamento dos equipamentos instalados na residencial de Santo André. Como é possível constatar na Figura 9, os valores obtidos recorrendo ao STE e ao HAP são praticamente iguais, validando assim o estudo efetuado.
Figura 9 - Consumo de energia anual associado à iluminação interior e ao uso de equipamentos
Para além dos resultados do índice de eficiência energética, comentados no ponto anterior, outros valores obtidos durante as simulações térmicas devem ser registados e analisados para uma melhor compreensão de como funciona o método de cálculo de cada uma das ferramentas utilizadas nesta dissertação de mestrado.
A residencial de Santo André é claramente um edifício considerado multizona e como tal foram simuladas doze zonas térmicas separadamente utilizando o STE-Monozona. Este método atribui a cada zona térmica uma classificação energética consoante os IEEs (real e de referência) obtidos sendo posteriormente necessário determinar os IEEs globais a fim de determinar a classe energética.
Considerando que as zonas definidas possuem áreas diferentes, a melhor forma de determinar os valores finais é recorrendo a uma média ponderada das doze zonas térmicas a fim de atribuir o devido peso a cada zona definida. Esta situação foi validada através da simulação de todo o edifício como se este se tratasse de uma só zona térmica. Como é possível identificar ao longo desta discussão de resultados e especialmente na Figura 11, os valores desta última metodologia são totalmente discrepantes face aos restantes métodos aplicados. É importante referir que, para aplicar esta metodologia, foi necessário desenvolver novos perfis de ocupação, iluminação, climatização e de utilização de equipamentos de forma a contabilizar de uma forma ponderada todas atividades e necessidades do edifício.
Comparados os casos STE 1 e STE 2 que, sendo a mesma ferramenta utilizada de forma diferente, deveriam resultar valores mais próximos mas tal não acontece devido a incapacidade de especificar o alguns aspetos importantes inerentes a cada zona térmica. Analisando primeiramente as necessidades de aquecimento, é possível afirmar que o valor difere devido ao facto de a potência instalada em zonas térmicas como a zona 5 e a zona 6 possuírem uma maior influência no aquecimento global do edifício no caso do STE2 do que no caso do STE1 o que se traduz numa diminuição das necessidades de aquecer o local e, consequentemente, num aumento da necessidade de arrefecer o mesmo em dias mais quentes.
Não esquecendo o facto de todas as metodologias terem alcançado a mesma classe energética final, a diferença de valor de R obtida no caso de uma só zona térmica é demasiado distante do método da simulação dinâmica detalhada. Analisando este resultado de forma mais atenta, verifica-se que as necessidades térmicas de aquecimento são abaixo de 2 MWh/ano, o que é um valor muito baixo face aos resultados obtidos recorrendo a outros métodos mais fiáveis. Uma explicação possível para este facto prende-se, uma vez mais, com o peso que o STE-Monozona atribui à presença de equipamentos e de iluminação nas zonas térmicas e com o facto os mesmos serem contabilizados para suprimirem as necessidades de aquecimento da zona térmica onde estão inseridos.
Figura 10 – Resultados em situação real
Outro fator dificil de aceitar é a necessidade de arrefecimento que o STE2 exige, culminando num consumo energético enorme. A explicação prende-se uma vez mais pelo tempo e quantidade de equipamento utilizado para o espaço em estudo que, ao contribuir para o aquecimento na temperatura do ar interior, exige maior necessidade de retirar o excesso de calor existente no inteiror do edifício.
Verificou-se no ponto 6.3 que ambos os programas utilizados obtiveram a mesma classe energética, encontrando- se todos na mesma ordem de grandeza. Desta forma esperar-se-ia que as necessidades térmicas de aquecimento e arrefecimento (e respetivos consumos energéticos) fossem semelhantes em ambas as ferramentas, mas tal não se verificou, segundo os resultados presentes nas Figuras 10 e 11.
Figura 11 – Resultados para a situação de referência
Analisando as Figuras, no caso do cálculo dinâmico simplificado (STE - Monozona), verifica-se que as necessidades de energia para aquecimento são significativamente baixas, comparativamente às necessidades calculadas pelo HAP. Esta diferença deve-se ao método de cálculo do programa utilizado, descrito no capítulo 3. Uma vez que, o STE se baseia em três nodos de temperatura, os equipamentos contribuem de forma significativa para o aquecimento da zona térmica em estudo resultando na diminuição das necessidades de aquecimento. Por outro lado, a existência de muitos equipamentos, ou equipamentos de elevada potência num espaço, o calor gerado pelo seu funcionamento poderá contribuir que a temperatura interior se eleve acima do valor máximo definido para a temperatura de conforto (25ºC), sendo necessário tomar medidas para evitar essa elevação. Esta carga térmica excendentária é contabilizada como uma necessidade de arrefecimento aumentando assim as necessidades térmicas de arrefecimento. De forma a perceber melhor a influência dos equipamentos nas necessidades térmicas de uma zona térmica, tome-se como exemplo o caso da zona térmica 6. Esta zona térmica corresponde à cozinha e consiste no espaço com maior número de equipamentos que perfazem um total de 5504 W de potência instalada e consomem anualmente perto de 15 MWh/ano. Esta zona térmica não possui necessidades de aquecimento mas possui uma necessidade de arrefecimento de cerca de 11 MWh/ano. Fazendo novamente o cálculo desta zona térmica mas sem contabilizar os equipamentos, os resultados obtidos são bem diferentes dos anteriores, existindo agora 308 kWh/ano de necessidades de aquecimento numa escala anual e 257 kWh/ano para arrefecimento. Ou seja, o facto de não existirem equipamentos na zona térmica, não só criou a necessidade de aquecer o local como ainda fez com que essa necessidade de aquecimento fosse superior à necessidade de arrefecer o local (Anexo 7).
Assim como os equipamentos, a iluminação interior também influenciam as necessidades de carga de aquecimento e arrefecimento devido ao calor que gera quando está ligada, sendo a influência de cada um deles (equipamentos e iluminação interior) de acordo com o perfil de utilização.
Os resultados associados ao edifício de referência também foram interessantes, principalmente devido à discrepância verificada nas necessidades de aquecimento, onde os valores são muito diferentes dos valores obtidos na avaliação do edifício em condições reais. Esta variação deve-se principalmente aos tipos de vãos envidraçados considerados, isto é, no caso do edifício em condições reais, é utilizado vidro duplo que possui um coeficiente de transmissão térmica de 3,08 W/(m2K), enquanto que no edifício de referência é utilizado vidro
simples com um coeficiente de transmissão térmica de 4,30 W/(m2K).
Relativamente à simulação dinâmica detalhada (HAP), os valores obtidos são mais equilibrados a nível da ordem de grandeza, sendo maior a necessidade térmica de aquecimento com 28 MWh/ano. O valor das necessidades de arrefecimento é inferior em 7 MWh/ano às necessidades de energia para o aquecimento. Estes resultados, uma vez que existe um sistema de climatização central e segundo a constituição das envolventes do edifício, são mais aceitáveis e mais próximos da realidade que os demonstrados pelo cálculo dinâmico simplificado.
A discrepância entre as necessidades térmicas de aquecimento entre as duas ferramentas está claramente associada à metodologia de cálculo utilizada por cada uma delas. Tendo já sido explicado o porquê dos valores obtidos através do STE, segue-se a análise das necessidades térmicas obtidas no HAP. A metodologia utilizada por este campo é em tudo mais complexa e completa do que o STE porque o número de variáveis é muito maior e o peso atribuído a cada uma delas é mais específico. Além disso o número de nodos existentes por zona térmica é muito maior que os três definidos no STE havendo uma distribuição mais ponderada da iluminação interior e dos equipamentos existentes em cada zona térmica bem como existe uma análise mais detalhada relativamente aos ganhos solares de cada zona.
Relativamente aos sistemas técnicos de climatização, é possível observar que o consumo obtido com recurso ao STE resulta das necessidades de energia e da eficiência de aquecimento e arrefecimento da bomba de calor instalada no edifício. No entanto o mesmo não acontece nos dados obtidos no HAP. Tal facto pode ser uma vez mais explicado recorrendo ao grau de especificidade e complexidade dos dois programas de simulação térmica, isto é, enquanto que o STE considera que o sistema de climatização funciona sempre à sua eficiência máxima (quer no aquecimento, quer no arrefecimento) sempre que ligado, contabilizando sempre a mesma quantidade de energia necessária para executar a sua tarefa térmica, o HAP faz uma contabilização mais pormenorizada executando um funcionamento gradual, segundo uma curva de carga consoante a variação das temperaturas exteriores e interiores. Este motivo leva a que os consumos de energia sejam superiores no HAP comparativamente ao STE.
Analisando o edifício em estudo do ponto de vista comparativo entre o modelo real e o de referência, como expectável o de referência apresenta melhor índice de eficiência energética. Este resultado deve-se
maioritariamente devido aos sistemas técnicos de referência possuírem um COP e um EER mais elevados que os instalados na realidade e também devido ao índice de iluminação utilizado na residencial.
Um último aspeto importante a mencionar acerca da diferença das duas metodologias que faz com que, não só os valores sejam tão divergentes, mas que também se opte sempre por utilizar a simulação dinâmica multizona, consiste na relevância que é dada à interação entre zonas térmicas. Enquanto que no STE-Monozona, as envolventes interiores são consideradas sem requisitos não contabilizando as trocas térmicas existentes entre espaços com diferentes requisitos, o HAP, sendo um modelo mais complexo e completo, tem em conta a interação entre os diferentes espaços fazendo com que as necessidades de aquecimento e de arrefecimento sejam valores mais ponderados e próximos da realidade.
7. Conclusões
Este capítulo final tem como propósito explicitar as principais conclusões obtidas e apontar possíveis desenvolvimentos do estudo realizado no âmbito desta dissertação de forma a solidificar ou alterar estas mesmas conclusões.
Mediante os resultados obtidos, é possível concluir que, embora os dois métodos de simulação resultem numa mesma classe energética para um pequeno edifício de comércio e serviços, os consumos calculados efetivamente pelo modelo são significativamente diferentes, ou seja, é possível determinar a classe energética de um edifício multizona, como o do caso de estudo, recorrendo ao método do cálculo simplificado mas tal não é verdadeiramente aconselhável por apresentar resultados pouco realistas. Esta é a principal conclusão a ser retirada e era o que se queria verificar quando foi proposto este tema. Esta constatação traduzir-se-ia numa boa notícia, em termos empresariais, uma vez que, sendo o STE-Monozona uma ferramenta de simples aprendizagem e utilização, permitiria às empresas atingir o seu objetivo (certificar o edifício) de uma forma mais rápida, menos