1. Tese de Mestrado
Análise Comparativa da
Simulação Energética de Edifícios
Pedro Miguel Lopes Dias Mateus
Lisboa, Setembro de 2008

2. ESTRUTURA DO TRABALHO
1 – Introdução
2 – Programas de simulação
3 – Caso estudo
4 – Simulação dinâmica
5 – Conclusões

3. 1 – INTRODUÇÃO
Contexto
• Cumprir as metas do Protocolo de Quioto: limitar as emissões de CO2.
• Plano de acção para a eficiência energética: reduzir 20% do consumo de energia primária até 2020.
• “Negajoules” como “recurso de energia” mais importante.
• O grande potencial de redução de consumo nos edifícios

4. 1 – INTRODUÇÃO
Contexto
Directiva
Europeia Os grandes edifícios públicos têm de afixar um certificado energético.
2002/91/CE
Simulação dinâmica detalhada dos grandes1 edifícios de serviços
RSECE
novos.
Classificação energética baseada em simulação
SCE dinâmica detalhada dos grandes edifícios de serviços
novos.
Classificação energética baseada em
SCE simulação dinâmica detalhada dos
grandes edifícios de serviços existentes
(periodicidade de 6 anos).
Dezembro Julho Julho Janeiro Simulação dinâmica detalhada
2002 2006 2007 2009
1 - Área útil de pavimento superior a 1000m 2.

5. 1 – INTRODUÇÃO
Modelo de simulação
Projecto do
edifício
Projecto de Cargas
Arquitectura Edifício
Térmicas
Desempenho Necessidades Condução da
do edifício de energia instalação
Modelo de
Alterações à
simulação da
instalação
instalação
AVAC Instalação
AVAC
AVAC
Desempenho - Consumo de energia Controlo da
da instalação instalação
- Dimensionar a
instalação AVAC
- Classe energética

6. 1 – INTRODUÇÃO
Objectivos
• Analisar as diferenças e deficiências dos métodos de simulação do consumo energético
de edifícios e dimensionamento de instalações.
• Quantificar as diferenças que podem ser obtidas pela aplicação de três programas
diferentes: aplicação de TRACE, HAP e RCCTE-STE ao mesmo caso estudo.
• Contribuir para um conhecimento mais aprofundado das capacidades dos programas
utilizados.

7. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Requisitos
Simulação dinâmica detalhada: Grandes edifícios de serviços1
Norma ASHRAE140-2004:
• aplicável à acreditação de programas de simulação dinâmica detalhada;
• baseada no BESTEST2 1995, da Agência Internacional de Energia;
• estabelece um procedimento formal para validação dos resultados dos programas;
• mais de 20 programas acreditados: EnergyPlus, DOE-2, IES, BLAST, TRNSYS,
TRACE 700, HAP 4.31, entre outros.
1 - Área útil de pavimento superior a 1000m 2.
2 - Building Energy Simulation TEST.

8. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Requisitos
Simulação dinâmica simplificada: Pequenos edifícios de serviços1
Metodologia implementada no programa RCCTE-STE :
• O método de simulação simplificado baseia-se no disposto na EN ISO 13790
• Pode ser considerada simulação dinâmica detalhada multizona se aplicada
isoladamente a cada zona distinta de um edifício.
1 - Área útil de pavimento inferior a 1000m 2.

9. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
TRACE 700
• Programa de simulação dinâmica detalhada desenvolvido por um fabricante de equipamento
AVAC (TRANE).
• Ferramenta essencialmente analítica.
• Análise de cargas térmicas e sistemas AVAC, do ponto de vista energético e económico.

10. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
HAP
• Programa de simulação dinâmica detalhada desenvolvido por um fabricante de equipamento
AVAC (Carrier).
• Permite estimar cargas térmicas e conceber sistemas de AVAC.
• Permite simular o consumo de energia do edifício e calcular os respectivos custos energéticos.

11. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
RCCTE-STE
• Programa de simulação dinâmica simplificada desenvolvido por Instituição Nacional (INETI) para
verificação do RCCTE e RSECE.
• Permite calcular a potência máxima do sistema de AVAC.
• Permite simular o consumo de energia do edifício.

12. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Dados climáticos no ficheiro dos programas
TRACE HAP RCCTE-STE
8760
Horas anuais [h] 8760 8760
1152
Temperatura de bolbo
X X X
seco
Temperatura de bolbo
X X
húmido
Humidade X a)
Radiação Solar X X X
Velocidade do vento X
Pressão atmosférica X
a) Não está incluído no ficheiro mas é calculado pelo programa

13. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Cargas térmicas
TRACE HAP RCCTE-STE
- Balanço Térmico
Métodos de cálculo - Funções de Transferência - Analogia circuito eléctrico
- Funções de Transferência
Inércia térmica - Calculada pelo programa - Definida pelo utilizador - Definida pelo utilizador
Coeficiente de
X a) X b) X b)
convecção exterior
Pontes Térmicas
X
Lineares env. exterior
Pontes Térmicas
X X X
Lineares - solo
Iluminação natural X
Sombreamento Ext. X c) X d) X c)
Controlo ventilação CO2 X
Infiltrações X X X e)
a) Simula constante ou variável c/ vel. do vento.
b) Simula apenas constante.
c) Simula edifício adjacente.
d) Não simula edifício adjacente.
e) Só simula nos períodos com ocupação.

14. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Instalação AVAC
TRACE HAP RCCTE-STE
Chiller e caldeira com
X X
eficiência variável
Recuperação de calor do
X
chiller
Recuperação de energia
X X
ar-ar
Fugas e perdas térmicas
X
nas condutas
Ventiladores de
X X
velocidade variável
Bombas de velocidade
X X
variável
Sistemas de cogeração X
Análise económica X X

15. 2 – PROGRAMAS DE SIMULAÇÃO
Principais limitações
TRACE HAP RCCTE-STE
Desvão não ventilado
Simulam de forma deficiente
Espaço com envolvente
não plana
Fachadas Ventiladas
Ventilação Natural
Conforto térmico
Não simulam
Qualidade do ar interior
Energias renováveis

16. 3 – CASO ESTUDO
Edifício
• Edifício de Escritórios - 3 pisos iguais
• Área total – 2748m2
• Concelho - Coimbra

17. 3 – CASO ESTUDO
Edifício
• valores de referência do RCCTE • Perfis e densidades – RSECE
U Ocupação Iluminação Equipamentos
Envolvente
[W/m2.ºC] [m2/ocupante] [W/m2] [W/m2]
Vertical 0,70 15 12 15
Exterior
Horizontal 0,50
1,24 • Condições de referência – RSECE:
Vertical
Opaca 1,40
Interior Temperatura Humidade
Estação
1,00 [ºC] relativa [%]
Horizontal
1,00 Aquecimento 20 -
Envidraçados (f.s.=0,56) 4,3 Arrefecimento 25 50
• Caudal mínimo de ar novo 5m3/(h.m2)

18. 3 – CASO ESTUDO
Instalação AVAC
PRODUÇÃO DE FRIO/CALOR
• 1 chiller de compressão arrefecido a ar
• 1 caldeira a gás natural
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA
• 4 bombas de velocidade constante.
DIFUSÃO DE ENERGIA TÉRMICA
• 21 ventiloconvectores a quatro tubos, VAC
RENOVAÇÃO DO AR
• 1 unidade de Tratamento de Ar Novo (UTAN) – VAC

19. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Dados climáticos
MARÇO
[ºC] Evolução diária da temperatura exterior de bolbo seco
30
TRACE 700 RCCTE-STE METEONORM
25
20
15
10
5
0
-5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Aquecimento Arrefecimento
Diferença Diferença
[ºC.dia] [ºC.dia]
Meteonorm [%] Meteonorm [%]
TRACE 1982 +5 64 +7
HAP 1992 +5 64 +7
RCCTE-STE 2223 + 17 65 +8
METEONORM 1895 0 60 0

20. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Dimensionamento da instalação AVAC
Dimensionamento - Cargas Térmicas
kW Dimensionamento – Cargas térmicas
50
40
30
20
10 Dimensionamento da potência [kW]
0 Aquecimento Arrefecimento
-10
Máxima Máxima
Simulada Simulada
-20 instalada instalada
-30 TRACE 176 246 230 322
-40 HAP 149 209 208 291
-50 RCCTE-STE 299 419 155 217
-60 HAP - Arrefecimento
-70
HAP - Aquecimento
-80
-90
Ventilação Sensível
Envidraçados
Rad. Envidraçados
Iluminação
Ocupação
Cobertura
Ventilação Latente
Solo
Paredes
Equipamentos
Espaços não úteis
Ventiladores

21. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Energia fornecida às unidades terminais
Arrefecimento Aquecimento
Arrefecimento Aquecimento
Energia fornecidapor tipo de equipamento
Energia fornecida por tipo de equipamento Energia fornecida por tipo de equipamento
Energia fornecida por tipo de equipamento
MWh MWh
30 14
12
25
10
20
8
15
6
10
4
5
2
0 0
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
TRACE - Ventiloconvectores HAP - Ventiloconvectores TRACE 700 - Ventiloconvectores HAP - Ventiloconvectores
TRACE - UTAN HAP - UTAN TRACE - UTAN HAP - UTAN

22. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Consumo de energia
Arrefecimento e arrefecimento
Aquecimento e arrefecimento Comparação consumo anual de anual de energia
Comparação do do consumo energia
MWh
Consumo de energia mensal
Consumo de energia mensal
MWh
18 130
120
110
15
100
90
12 80
70
60
9
50
40
6
30
20
10
3
0
to to s ão o s
en en ba laç çã nt o
c im im om nt i in a me
ue fec B Ve I lu
m
uip
a
0 Aq A rre Eq
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
TRACE - Arrefecimento TRACE - Aquecimento
TRACE HAP RCCTE- STE
HAP - Arrefecimento HAP - Aquecimento

23. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Indicador de eficiência energética
Consumo de Consumo
Área útil IEEnom IEEref
energia final de energia Classe
primária Energética
[m2]
[kW.h/ano] [kgep/ano] [kgep/m2.ano]
TRACE 375369 91594 2502 35,2 35,0 C
HAP 372100 91145 2502 35,0 35,0 B-
RCCTE-STE 376099 93511 2502 36,3 35,0 C

24. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Melhoria do desempenho – Palas de sombreamento
Energia fornecida sobreamento
Efeito do
aos ventiloconvectores Efeito do sombreamento com palas horizontais
Comparação do consumo anual de energia
Energia fornecida aos ventilo-convectores Comparação do consumo anual de energia
MWh MWh
30 130
120
110
25
100
90
20 80
70
15 60
50
40
10
30
20
5 10
0
en
to en
to as çã
o
açã
o tos
mb t ila en
0 ec
im c im Bo en min am
qu e fe V I lu uip
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez A Arr Eq
Aquecimento - Base Aquecimento - Base + Palas
TRACE TRACE + PALAS
Arrefecimento - Base Arrefecimento - Base + Pala

25. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Melhoria do desempenho – Recuperação de calor
Energia fornecida á UTAN Efeito da recuperação de calor
Comparação do consumo anual de energia
Efeito da recuperação de calor Comparação do consumo anual de energia
Energia fornecida à UTAN MWh
MWh 130
14
120
13
110
12
100
11
90
10
80
9
70
8
60
7
50
6
40
5
30
4
20
3
10
2
0
1 to to as o o tos
en en mb t ila
çã açã en
ue
c im fec
im Bo en min am
0 rre V I lu uip
Aq A Eq
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Aquecimento - Base Aquecimento - Base + Recuperação
TRACE TRACE + RECUPERAÇÃO
Arrefecimento - Base Arrefecimento - Base + Recuperação

26. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Melhoria do desempenho – EER chiller variável
Efeito do EER do chiller
Comparação do consumo anual de energia de
Comparação do consumo anual energia
MWh
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
to to s ão o s
en en ba laç çã nto
im im om nti in a me
ec ec B Ve m a
qu Arre f I lu uip
A Eq
TRACE TRACE + EER VARIAVEL

27. 4 – SIMULAÇÃO DINÂMICA
Indicador de eficiência energética
Consumo Consumo IEEnom IEEref
Área
de energia de energia
útil Classe energética
final primária
[kW.h/ano] [kgep/ano] [kgep/m2.ano]
[m2]
TRACE 375369 91594 2502 35,2 35,0
C
TRACE 315204 89600 2502 35,1 35,0
(Recup. calor)
TRACE
362467 87604 2502 33,7 35,0
(Palas)
TRACE 302302 85463 2502 33,6 35,0 B-
(Rec. calor + Palas)
TRACE 364708 88502 2502 34,1 35,0
(Curva EER)

28. 5 – CONCLUSÃO
- Obtêm-se diferenças entre os programas:
• IEE;
• dimensionamento da instalação AVAC;
• classificação energética.
- Os resultados do RCCTE-STE afastam-se do TRACE e HAP no consumo de energia de.
• arrefecimento, bombas e ventilação.
- RCCTE STE não simula:
• carga térmica latente do ar exterior;
• carga térmica sensível dos ventiladores dos ventiloconvectores e bombas;
• variação do funcionamento das bombas e ventiladores
• recuperação de calor e arrefecimento gratuito.

29. 5 – CONCLUSÃO
- Diferenças entre os programas TRACE e HAP:
• cálculo da inércia térmica;
• modelação dos espaços não úteis;
• transferência de calor através e para ao solo.
- Aspectos adicionais para as diferenças obtidas entre os 3 programas:
• dados climáticos;
• o método de cálculo de cargas térmicas.
- A simulação da curva real do Chiller traduz-se numa diminuição do consumo de energia
deste.
- Uma medida de melhoria pode reduzir os custos energéticos mas pode não ser a mais
adequada para melhoria da classe energética.

30. 5 – CONCLUSÃO
- Trabalhos e desenvolvimentos futuros nesta área do conhecimento passam pela simulação
do edifício integrando:
- fachadas ventiladas;
- ventilação natural;
- conforto térmico;
- qualidade do ar interior;
- sistemas solares passivos;
- energias renováveis;
- variação do rendimento da instalação devido a manutenção deficiente;
- análise económica do sistema AVAC com componentes de durabilidade variável;
- análise de sensibilidade das medidas de melhoria;
- análise global da sustentabilidade do edifício.