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CIBIM 10, Porto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferreira, MAP Vaz (Eds)

ANÁLISE DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO DOTADO DE CONTROLE DE VENTILAÇÃO POR DEMANDA (DCV)

DO Mochizuki1*, OJ Venturini1†, MJ Pirani1*, TA Paiva1†

1-Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS 1303, Itajubá, Brasil, email: {*daniel.mochizuki,†tulio.unifei}@gmail.com,{ †osvaldo, *pirani}@unifei.edu.br

Palavras chave: HVAC, DCV, CO2, Simulação Térmica, VAV, EnergyPlus.

Resumo

Devido ao elevado impacto da climatização artificial na demanda de energia, novas medidas têm sido desenvolvidas e implementadas, buscando melhorar a eficiência energética dos sistemas convencionais de ar condicionado e ventilação (HVAC). Dentre as diversas técnicas pesquisadas, a ventilação sob demanda baseada na concentração de dióxido de carbono, ou CO2 - DCV (do inglês, Carbon Dioxide-based Demand Controlled Ventilation), tem recebido grande destaque ultimamente. A técnica consiste em modular a vazão de ar externo em função da ocupação do ambiente ou da qualidade do ar interno, podendo-se economizar energia nos momentos em que as condições de ocupação da sala mudam. Quando as taxas de ventilação recomendadas em normas internacionais são aplicadas, como a ASHRAE Standard 62:1999 [1], pode-se ocorrer ventilação excessiva em condições de ocupação parcial, incorrendo em consumo desnecessário de energia. Dessa forma, pelo monitoramento da concentração de dióxido de carbono ou do número de pessoas no ambiente, a técnica permite um controle efetivo da ventilação, mantendo o ambiente condicionado sempre saudável com um mínimo consumo de energia. Em um edifício comercial, localizado na cidade de São Paulo e dotado de condicionadores de ar do tipo VAV (Volume de Ar Variável), define-se cinco modelos de ventilação diferentes: o Modelo 1 com 100% de ar externo, o Modelo 2 com 30%, o Modelo 3 equipado com DCV-VRP (Ventilation Rate Procedure), o Modelo 4 dotado de DCV-IAQP (Indoor Air Quality Procedure) para manutenção da concentração de CO2 em 700 ppm e o Modelo 5 com DCV-IAQP a 1000 ppm. Assim, através de simulações termoenergéticas realizadas por meio do programa computacional EnergyPlus [2], avalia-se o desempenho da técnica ao longo de um ano climático típico e compara-se a demanda anual de energia elétrica de cada um dos modelos com a demanda do Modelo 1, caso base tomado como referência. Desta forma, então, este trabalho quantifica os impactos das duas filosofias de aplicação da técnica de Ventilação Sob Demanda, com relação ao consumo energético, em um tipo de condomínio comercial bastante comum no Brasil.

DO Mochizuki, OJ Venturini, MJ Pirani, TA Paiva

1. Introdução

O Historicamente, o desenvolvimento econômico de determinadas regiões através do globo tem aumentado consideravelmente a demanda energética, principalmente nos países em desenvolvimento [3][4]. Com o aumento das receitas, uma maior preocupação com o conforto dos colaboradores toma forma, decorrendo daí o uso cada vez maior de sistemas de climatização artificial de ambientes, sobretudo em edificações comerciais.

Assim, apesar de extremamente eficientes, os sistemas de refrigeração e ar-condicionado baseados em processos de compressão de vapor são acionados por formas nobres de energia como trabalho de eixo e, consequentemente, energia elétrica, respondendo por parcelas consideráveis do consumo de eletricidade.

No mundo todo, as companhias de energia concordam que 30% consumo total se devem a sistemas de refrigeração e ar-condicionado [5]. As edificações comerciais, principalmente devido aos sistemas HVAC e de iluminação, respondem por 18,4% do consumo total de energia primária nos EUA [6]. No Brasil, enquanto o setor residencial foi responsável por 23,9% do consumo total de energia elétrica, os setores comerciais e públicos, que abrigam uma porcentagem muito menor da população, foram responsáveis por 15,1% e 8,6% respectivamente [7]. Neste contexto, a climatização artificial e a iluminação respondem por respectivamente 48% e 24% do consumo de um edifício com ar-condicionado.[8]

Entre 1990 e 2000, um panorama geral da demanda de energia elétrica no país, entre os setores residencial, comercial e público, mostrava que o aumento do consumo vinha acompanhando o crescimento do Produto Interno Bruto (PIB), fato que não acontecia nos países desenvolvidos, onde ao contrario do Brasil, já existiam políticas e legislações bem definidas com relação à eficiência energética [9].

Atualmente, ainda não existe uma norma totalmente adaptada à realidade brasileira, que trate diretamente da eficiência energética de edificações. Porém, programas como o Procel (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica)[10] foram expandidos e a ENCE (Etiqueta Nacional de Conservação de Energia), que inicialmente classificava apenas eletrodomésticos e equipamentos elétricos em conceitos de A a E, passou a englobar a partir de 2009, edifícios

públicos, comerciais e de serviços[11]. Além disso, o Ministério de Minas e Energia – MME Está lançando o Plano Nacional de Eficiência Energética (PNEf), que fixa metas e medidas para reduzir o desperdício e melhorar o aproveitamento dos recursos energéticos em um horizonte de 20 anos. Ainda, o PNEf irá incorporar as diretivas da futura norma internacional de eficiência energética ISO 50.001 [12][13].

Portanto, torna-se imperativo implantar medidas para reduzir o consumo energético das edificações comerciais, trazendo benefícios aos empresários e, no longo prazo, ao sistema energético brasileiro como um todo.

1.1.Eficiência Energética de Edificações

De forma geral, quanto aos sistemas de condicionamento de ar, existem basicamente duas classes principais de medidas para reduzir a demanda. Na primeira destas classes está a busca por alternativas aos sistemas de compressão de vapor, onde a refrigeração por absorção figura com grande destaque, já que utiliza processos térmicos para aumentar a pressão do fluido refrigerante. Consequentemente, formas menos nobres de energia, como rejeitos de calor industrial ou energia solar, podem ser utilizados para acionar o sistema.

A segunda classe de medidas engloba a aplicação de técnicas que reduzam o desperdício e melhorem a eficiência energética destes sistemas. Como neste caso as técnicas podem ser aplicadas em edificações novas ou antigas (em projetos de retrofit) e não dependem da disponibilidade de outras formas de energia e nem alterações profundas nos sistemas existentes, possuem maior aplicabilidade prática em termos de custos e viabilidade técnica. Além disso, podem ser avaliadas por meio de simulações energéticas em ferramentas computacionais, e ter seus resultados analisados antes mesmo de serem aplicadas.

1.2.Simulação Termoenergética

Nos estudos efetuados recentemente quanto à eficiência energética de edificações, as simulações computacionais têm alcançado grande destaque. Alguns autores utilizam técnicas de inteligência artificial para otimização dos sistemas de condicionamento de ar e refrigeração industrial, e calcular as variáveis operacionais e de projeto para obter o mínimo custo de implantação e operação do


sistema [14][15]. Outros, ainda, utilizam ambiente Matlab e/ou Simulink para maior flexibilidade nas modelagens e simulações mais específicas, como de estratégias de controle, modelos matemáticos e técnicas de programação não linear [16][17].

Porém, existem diversas ferramentas desenvolvidas para simulação termoenergética de edificações, que vem sendo lançadas nos últimos 50 anos [18]. Destas, as mais importantes são o DOE 2.1, BLAST, TRNSYS e, mais recentemente, o EnergyPlus e o ECOTECT. Algumas se integram com ferramentas CAD para a modelagem do envelope [19], outras são interface gráfica para ferramentas consolidadas como o DesignBuilder, para EnergyPlus. Outras, ainda, são desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de ar-condicionado, como o HAP e o TRACE.

Dentre todas estas, a ferramenta que mais tem ganhado destaque ultimamente é o EnergyPlus [2]. Desenvolvido pelo Departamento de Energia dos EUA (US-DOE), é uma ferramenta modular de simulação que utiliza o DOE 2.1 e o BLAST, dois dos mais poderosos algoritmos desenvolvidos na década de 70, de forma integrada, permitindo simulações anuais altamente detalhadas e precisas. Seu melhor recurso contra os demais códigos citados, é sua capacidade de simulação integrada (em paralelo) da estrutura física, com todos seus ganhos internos de energia, e do sistema HVAC selecionado, o que na maioria dos demais é feita de forma seqüencial e sem troca de informações entre um e outro [21][22][23].

Portanto, a grande vantagem dessas ferramentas esta no fato de permitirem a simulação de diversas configurações físicas, parâmetros de projeto, materiais do envelope, ganhos internos de calor, características de ocupação e uso, técnicas de ventilação, sistemas de aquecimento e resfriamento, e diversas condições que frequentemente ocorrem na prática, de forma a definir e otimizar as variáveis e parâmetros de projeto. Ainda, por meio de padronizações de modelos comuns de edificações, a análise termoenergética passa a ser bastante simplificada para que engenheiros e arquitetos possam efetuar projetos de alta eficiência energética [24][25][26].

1.3.Ventilação sob Demanda (DCV)

Assim, dentro da segunda classe, uma técnica que vem sendo utilizada com êxito para reduzir o consumo de sistemas de ar-

condicionado e constitui o foco de estudo deste trabalho, é a Ventilação Sob Demanda baseada na concentração de CO2 no ambiente condicionado.

Em geral, as taxas de insuflamento de ar externo, ou de renovação, para remoção de contaminantes é especificada por normas que definem níveis mínimos para a qualidade do ar interior. A ASHRAE Standard 62:1999 [1] e sua equivalente brasileira ABNT NBR 6401-3:2008 [27] são exemplos de normas que especificam taxas básicas de ar de renovação por pessoa, em L.s-1.pessoas-1, e por área do ambiente condicionado, em L.s-1.m-2.

Dessa forma, os equipamentos de tratamento de ar geralmente empregados em edificações comerciais, utilizam sistemas de ventilação mecânica dotados de controladores de vazão (dampers) que podem desviar uma porcentagem de ar recirculado para a exaustão e introduzir um fluxo igual de ar externo no ambiente. Porém, a maioria destes sistemas permite apenas operação com uma posição fixa do controlador e vazão de renovação constante [28].

Assim, dependendo do tipo de projeto, das características de ocupação do ambiente e do perfil de geração interna de CO2, pode-se ter um ambiente sobre-ventilado, com taxas maiores que as recomendadas nas normas citadas, o que geralmente ocorre em edifícios de escritórios. Por outro lado, pode-se ter também um ambiente com ventilação insuficiente, caso comumente encontrado em salas de aula e auditórios [29][30].

Edifícios sobreventilados desperdiçam energia, trazendo pouco ou nenhum benefício para os ocupantes, enquanto edifícios subventilados podem ter efeitos adversos significativos sobre as pessoas. Portanto, a ventilação com controle de demanda é uma abordagem técnica para melhor adequar as taxas de ventilação do edifício aos seus ocupantes [28]. Nos sistemas DCV comumente encontrados no mercado, o controle da ventilação mecânica é feito por sensores de CO2 que proporcionam uma medida bastante precisa da ocupação do ambiente, já que a taxa de geração de dióxido de carbono é proporcional ao número ocupantes. Assim, pode-se modular a taxa de ar externo para renovação, de acordo com a ocupação do ambiente, mantendo o ambiente sempre saudável e com concentração interna de CO2 de 700 ppm acima do ambiente externo (em torno de 1100 ppm) e com mínimo consumo de energia elétrica [1].


Atualmente, por suas vantagens, muitos trabalhos vêm sendo desenvolvidos tendo como objeto de estudo o CO2-DCV. Porém, quando apresentada na década de 70, a técnica despertou pouco interesse e apenas nos anos 90, quando a preocupação com a demanda energética aumentou, é que começou a ser efetivamente estudada e implantada.

Spengler e Sexton (1983) [31]inicialmente expres-saram a qualidade do ar interno como problema de saúde pública, frisando que, apesar das taxas de ventilação serem fixadas em norma, os ocupantes frequentemente ficavam expostos a uma grande gama de poluentes gerados pela própria atividade comercial desempenhada no ambiente. Quanto ao dióxido de carbono proveniente da atividade metabólica e combustão, a concentração interna de CO2

frequentemente encontrada ficava entre 2000 e 3000 PPM (partes por milhão).

Warren (1991) [32], utilizando um perfil de ventilação baseado na concentração de dióxido de carbono, simulou em um programa computacional um auditório submetido a flutuações de ocupação no Reino Unido. Como resultado, reportou que uma redução de 50% no consumo de energia elétrica para aquecimento poderia ser alcançada se o auditório, que utilizada 100% de ar externo, recebesse um sistema com controle de ventilação por CO2.

Schell et al. (1998) [33], apresenta um guia para a implantação da ventilação sob demanda baseado na interpretação IC 62-1989-27 [34] da ASHRAE Standard 62:1989 [1]. Nesta foi estabelecido que, baseando-se na concentração de CO2, pode-se identificar uma redução na ocupação e, consequentemente, diminuir a ventilação de renovação no ambiente. Dessa forma, economiza-se energia sem deixar de atender a taxa mínima de ventilação por pessoa exigida pela norma.

Schell e Inthout (2001) [35], fizeram uma revisão do estado da arte da ventilação sob demanda e seus vários componentes, como os sensores, frisando que este tipo de controle pode se tornar tão comum quanto os usuais controles termostáticos.

Römer (2001) [36], simulou uma casa de baixo consumo energético no programa TRNSYS 14.2 para um caso base, sem DCV e com ventilação contínua durante dia e noite e, outros dois cenários: um com 50% da ventilação durante o ano todo e outro com 50% da ventilação apenas durante os períodos desocupados. Como resultado, obteve 15% de economia no primeiro cenário e 20% no segundo, ambos com relação ao caso base.

Pavlovas (2004) [37], utilizou o software ICE (Indoor Climate and Energy) para simular um edifício multifamiliar localizado na Suécia quanto a várias estratégias de ventilação sob demanda. Com referencia a um sistema com vazão volumétrica constante, foram simulados os controles de ventilação com base na concentração de CO2 (fixadas em 800 ppm e 1200 ppm), na umidade relativa (UR) (fixadas em 60% e 80%) e na presença de pessoas (ventilação mínima de 10 L.s-1 sem ocupação e 30 L.s-1

para ambiente ocupado). Para os controles por CO2 e UR o potencial de economia obtido foi maior que 50%, enquanto o controle de presença atingiu economia de 20%, ambos com relação ao caso de referência.

Congradac e Kulic (2009) [15], simularam um sistema VAV com central de água gelada utilizando algoritmos genéticos como método de otimização. A simulação foi feita em ambiente Matlab Simulink com posterior calibração em EnergyPlus e reportou, para uma concentração externa de CO2 de 300 ppm, uma redução no fluxo de água gelada de 38% quando operando a uma concentração interna de 400 ppm, 72% a 600 ppm e 83% a 800 ppm.

Hong e Fisk (2009) [38], levantaram os potenciais de economia de energia em escritórios, que podem ser proporcionados pelo DCV, em cinco zonas climáticas típicas do estado da Califórnia, utilizando o EnergyPlus. Foram testadas três densidades de ocupação e dois níveis de ventilação mínima para diversificar a gama de condições de projeto. Da análise do custo do ciclo de vida do projeto concluiu-se que em geral, o sistema DCV apresenta boa viabilidade econômica se a taxa típica de ventilação sem DCV for muito maior que a mínima estipulada em norma. Maripuu (2009) [39], em sua tese de doutorado, explorou todos os aspectos técnicos e práticos da técnica, com análises reais e estudos de caso. Ainda, seu monitoramento de um edifício de escritórios ao longo de um ano mostrou que em 90% do tempo a ocupação agregada é igual ou menor que 53%

E Petrone et al. (2011) [40] fizeram uma simulação multifísica de diferentes sistemas de ventilação, e seu impacto no conforto dos espectadores de um cinema. Utilizaram as equações de conservação da massa, energia e momento para definir os campos de velocidade, temperatura e concentração de CO2 para cada situação estudada. As soluções obtidas mostraram a distribuição espacial da temperatura, velocidade do ar, concentração de CO2, etc., mostrando a


efetividade do sistema de ventilação em cada região da sala, sobretudo nos pontos próximos aos ocupantes.

Portanto, a ventilação sob demanda baseada na concentração interna de CO2 é uma das melhores técnicas para manutenção da qualidade do ar em níveis saudáveis e ainda para contribuir com a redução da demanda energética, fato bastante desejável atualmente.

2. Metodologia

Pelo seu parentesco com os algoritmos DOE e BLAST, a entrada dos dados do modelo para simulação em EnergyPlus é totalmente efetuada por meio de um arquivo de texto simples, identificado pela extensão .idf. Ainda, a modelagem em EnergyPlus é feita por meio de funções de códigos de programação, denominados objetos, que desempenham funções específicas na simulação.

Alguns objetos representam ganhos internos de calor (pessoas, iluminação, equipamentos elétricos, etc.), as características físicas (materiais e construções de paredes, janelas, portas, etc.) e informações geométricas (posição das paredes, sistemas de coordenadas das zonas térmicas, posição geográfica, etc.). Outros desempenham funções de controle ou inserem as características operacionais do sistema (período de simulação, termostatos, agendas de ocupação e de disponibilidade dos sistemas, etc.). Outros, ainda, representam os equipamentos reais que formam o sistema de condicionamento de ar (ventiladores, dutos, serpentinas de resfriamento e aquecimento, controladores de vazão, chillers, caldeiras, etc.).

Assim, todos os objetos a serem utilizados na simulação devem ser definidos, com seus dados de entrada, no arquivo texto. Para facilitar a modelagem, o EnergyPlus é distribuído com um editor de arquivos .idf que, a partir de uma interface simplificada e dos dados inseridos pelo usuário, posiciona os objetos em forma de texto no arquivo de entrada, na forma apropriada.

Portanto, a metodologia empregada aqui consiste em modelar um edifício comercial, levando em conta as características físicas e térmicas da envoltória, padrões de ocupação, densidade de cargas de equipamentos elétricos e sistemas de condicionamento de ar, por meio dos objetos apropriados, e simulá-lo em EnergyPlus. Na simulação, as taxas de ventilação maiores que as recomendadas em norma foram aplicadas, de modo a obter

um caso base de comparação para as alterações implementadas e para avaliar os reais potenciais de economia de energia para o caso estudado. E através dos objetos para simulação da geração de contaminantes, a concentração interna de CO2 pode ser monitorada, de modo a obter um registro da variação da qualidade do ar com a ocupação dos ambientes e com o tempo.

Assim, os mecanismos de controle de ventilação puderam ser implementados, por meio do objeto de controle do ar externo, de modo a simular os impactos da Ventilação Sob Demanda sobre o consumo de energia. Serão avaliados, portanto, os dois métodos de controle apresentados na norma ASHRAE Standard 62:1999 [1], o VRP (sigla em inglês para Ventilation Rate Procedure, ou procedimento baseado na taxa de ventilação) e IAQP (de Indoor Air Quality Procedure).

O estudo, então, foi efetuado para um edifico comercial hipotético localizado na cidade de São Paulo, composto por três pavimentos condicionados mais um terraço não condicionado. O pavimento térreo é formado por uma área de recepção, um corredor para acesso aos elevadores e um centro de convivência utilizado para eventos, palestras e festividades. O pavimento 1, ocupado por uma única empresa, é formado pelas zonas térmicas denominadas Engenharia, TI, Gerencia, Auditório, Reunião, e Recepção. O segundo pavimento, ocupado por várias empresas, é formado pelas zonas térmicas chamadas Bloco 1, Bloco 2 – Recepção, Bloco 2 – Operacional, Bloco 2 – Reunião, Bloco 3, Bloco 4, Bloco 5 e Bloco 6. Cada uma destas zonas térmicas possuem características próprias de ocupação, densidade de iluminação e equipamentos elétricos, horários de funcionamento, etc.

Como a modelagem da estrutura física é a parte mais onerosa da simulação em EnergyPlus, que exige a entrada manual de todos os vértices de cada uma das paredes do edifício, esta foi efetuada em Google SketchUp, através do complemento OpenStudio. Esta extensão do aplicativo, fornecida pelo próprio US-DOE, transforma o modelador 3D da Google em uma interface gráfica para o EnergyPlus. Atualmente, porém, o OpenStudio permite apenas a inclusão de um sistema ideal de condicionamento de ar, útil somente para uma primeira estimativa da carga térmica. Por outro lado, o complemento gera automaticamente o arquivo de entrada de dados para o EnergyPlus, baseado no modelo matemático do edifício, já com os


objetos referentes aos ganhos internos de calor e às características físicas da construção.

Os materiais da envoltória são aqueles tipicamente utilizados no Brasil, cujas propriedades termofísicas foram obtidas de Ordenes et al. [50], que desenvolveram uma biblioteca destes materiais para uso em VisualDOE 2.1e. Como a entrada destes dados é semelhante nos dois algoritmos, tais dados foram adaptados para uso no EnergyPlus em forma de um arquivo-padrão (template), e foram automaticamente aplicados ao modelo pelo OpenStudio.

Assim, devido às limitações da modelagem em SketchUp - OpenStudio, os demais objetos são inseridos manualmente através do editor de arquivos .idf do EnergyPlus. Nesta fase, foram inseridos cinco sistemas de condicionamento de ar do tipo VAV (Volume de Ar Variável), com insuflamento e retorno por duto, ventilador de velocidade variável, serpentina de reaquecimento elétrico e ar mínimo insuflado de 30% do total, onde cada um atende várias zonas térmicas. Foi incluído ainda, um sistema tipo self-contained de vazão constante, para atender a zona Convivência. Para o cálculo da vazão de ar externo para renovação, os valores especificados pela norma ABNT NBR 6401-3:2008 [27] são de 3.8 L.s-1.pessoa-1 e 0.5 L.s-1.m-2, para escritórios de baixa a alta densidade de ocupação. No entanto, para se obter maiores possibilidades de variação dos parâmetros de ventilação, quando da aplicação do DCV, foram inseridos com valores de projetos as taxas de 20.0 L.s-

1.pessoa-1 e 1.0 L.s-1.m-2 [39].Com estes dados, pode-se rodar a

simulação para, inicialmente, dimensionar os sistemas quanto à capacidade de refrigeração, vazão total e vazão de renovação. O EnergyPlus efetua os dimensionamentos com base nos dias de projeto para as condições de 1% para verão e 99% para inverno conforme metodologia recomendada pela ASHRAE no Handbook 2009 - Fundamentals [51]. Para São Paulo, os dados do Dia de Projeto de Verão são: TBS=31.0ºC (temperatura de bulbo seco) e Tdiário=8.2ºC (amplitude diária de temperatura) ocorrendo no dia 21 de fevereiro; e do Dia de Projeto de Inverno são: TBS=10.0ºC e Tdiário=0.0ºC ocorrendo no dia 21 de julho.

Dessa forma, o programa calcula a carga térmica dos ambientes e as vazões que devem ser fornecidas pelos sistemas para atender tanto a demanda de refrigeração quanto as vazões de ar externo para

atender os requisitos de qualidade do ar. Tais dados são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1: Sistemas de condicionamento de ar avaliados.

Nome Zonas Térmicas DadosPavT

SistVAVRecepção 27424.07 W

1.21 m3/sCorredorPavT

ConvSelf Convivência 120802.26 W4.86 m3/s

Pav1Sist1 VAV

Reunião47140.60 W

1.90 m3/sRecepçãoAuditório

Pav1Sist2 VAV

Engenharia38759.30 W

1.87 m3/sGerênciaTI

Pav2Sist1 VAV

Bloco 152899.56 W

2.72 m3/sBl 2 Recepção

Bl 2 OperacionalBl 2 Reunião

Pav2Sist2 VAV

Bloco 347268.81 W

2.43 m3/sBloco 4Bloco 5Bloco 6

Com o sistemas dimensionados, foram definidos cinco casos de ventilação para comparação do consumo de energia elétrica e da qualidade do ar interior. No primeiro caso, denominado Modelo 1, utilizou-se 100% de ar externo durante toda a simulação para quantificar o máximo consumo de energia elétrica e a melhor qualidade de ar, possíveis em cada um dos sistemas e os parâmetros dimensionados pelo EnergyPlus.

No caso denominado Modelo 2, foram utilizados apenas 30% (com relação ao fluxo total) de ar externo para renovação, o que reflete a realidade de muitos dos sistemas de ar-condicionado instalados no Brasil. Neste tipo de sistema, a tomada de ar externo é um simples duto que liga o ambiente externo com a caixa, ou plenum, de mistura, sendo por vezes dotado de um controlador de vazão para ajuste manual da condição de operação. Conseqüentemente, esperava-se uma considerável redução no consumo de energia nesta situação, já que menos ar deveria ser tratado antes de ser insuflado no ambiente.

No Modelo 3, implementa-se o sistema de ventilação por demanda especificado na norma ASHRAE Standard 62:1999 [1], denominado procedimento baseado na taxa de ventilação ou VRP. Esta técnica consiste no cálculo da taxa de ar externo por meio de um componente por área do ambiente, um componente por pessoa ocupante do ambiente e das efetividades de ventilação do sistema. Assim, a partir da ocupação instantânea das zonas, o sistema fornece a taxa de ventilação adequada sem descumprir a norma.


No Modelo 4, a segunda técnica de ventilação por demanda apresentada na norma Standard 62:1999 [1] é implementada, o chamado procedimento baseado na qualidade do ar interno, o IAQP. Neste procedimento, a partir da leitura da concentração instantânea de CO2, a taxa de insuflação de ar externo é modulada de modo a manter tal concentração em um nível pré-estabelecido de 700 ppm.

Finalmente, aplica-se no Modelo 5 o mesmo procedimento utilizado no Modelo 4, porém mantendo agora uma concentração interna de CO2 de 1000 ppm.

Vale frisar, ainda, que a concentração externa de CO2 considerada em todas as simulações foi de 400 ppm. E que, segundo a ASHRAE Standard 62:1999 [1], uma concentração interna não maior que 700 ppm de CO2 acima da concentração externa causa desconforto os ocupantes quanto aos bioefluentes liberados pelo metabolismo humano. Assim a concentração deste contaminante não deve ultrapassar os 1100 ppm em quaisquer dos ambientes condicionados considerados neste trabalho. Deve-se ter em mente também que outros contaminantes além do dióxido de carbono podem estar presentes e devem ser considerados nos projetos de condicionamento de ar para conforto. Porém, o escopo deste trabalho se ateve somente ao CO2.

3. Resultados

A simulação do modelo é efetuada para as 8760 horas do ano, porém as figuras abaixo referem-se ao dia de projeto ASHRAE utilizado no dimensionamento dos componentes. Este dia, por ser bastante significativo e representar o pico de ganho de calor pelo ambiente condicionado, ilustra perfeitamente o comportamento das variáveis analisadas aqui. A Figura 1, por exemplo, mostra o consumo instantâneo de energia elétrica para as serpentinas de resfriamento dos sistemas, calculados pelo programa com base em um COP (Coeficiente de Performance) de 3.0.

A Figura 2 mostra as vazões de ar externo para renovação fornecido por cada sistema. E a Figura 3, Traz a concentração interna de CO2 para algumas zonas térmicas dos vários sistemas estudados. Por outro lado, a

, abaixo, traz um sumário do consumo anual de energia elétrica para o edifício simulado, para cada um dos modelos de ventilação adotados. Como esperado, o Modelo 1 teve o maior consumo de energia e resultou na melhor qualidade do ar interior. Observa-se ainda que para o Modelo 1 e Modelo 3, o pico de demanda ocorreu durante o verão no dia 17 de Fevereiro, enquanto nos demais este se verificou nos períodos mais frios. Como a carga térmica diminuiu em função das reduções de ar externo, as cargas de aquecimento tornaram-se mais significativas, deslocando os picos de deman-

Tabela 2: Demanda de energia elétrica para o edifício simulado por uso final.

Annual Building Utility Performance - ElectricityEnd Uses Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3 Modelo 4 Modelo 5

On Peak Demand [W]Time of Peak 17-FEB-13:00 20-JUN-07:10 17-FEB-13:00 06-JUL-07:10 06-JUL-07:10

Heating 0.00 97176.20 0.00 79572.45 79572.45Cooling 96473.95 0.00 76103.35 7332.76 7332.76

Lighting 15490.93 6663.73 15490.93 6663.73 6663.73Equipment 58279.39 59753.95 58279.39 59753.95 59753.95

Fans 16244.03 1654.78 13418.91 1652.06 1652.06Total End Uses 186488.31 165248.67 163292.59 154974.95 154974.95

Annual Demand [kWh]Heating 106744.73 105667.18 105296.80 103581.15 103516.76Cooling 76789.81 70096.82 75161.24 64843.30 62847.96

Lighting 62907.00 62907.00 62907.00 62907.00 62907.00Equipment 189599.78 189599.78 189599.78 189599.78 189599.78

Fans 12837.87 12045.23 12334.31 12008.12 12011.39Total End Uses 448879.20 440316.02 445299.13 432939.35 430882.89

da para os períodos mais frios. Além disso, observa-se que o Modelo 1 e Modelo 3 tiveram desempenhos bastante


semelhantes tanto para consumo, redução de apenas 2.1% para resfriamento e 1.4% para aquecimento no consumo anual de energia elétrica no Modelo 3, como para qualidade do ar. Esta semelhança acontece devido ao fato de as taxas de ventilação (10.0 L.s-1.pessoa-1 e 5.0 L.s-1.m-2) aplicadas no objeto Controller:MechanicalVentilation do EnergyPlus, que é responsável pelo cálculo do ar exterior de renovação e que também controla o DCV, serem semelhantes às taxas de projeto utilizadas no dimensionamento do sistema. Além disso, por se tratar do dia de projeto, o sistema é mostrado operando em condições extremas de funcionamento. Assim, a técnica DCV-VRP não se mostrou tão promissora, porém tais dados ainda podem ser redefinidos e reduzidos para menores taxas contanto que se garanta o limite de concentração de CO2

(deve-se lembrar que o único parâmetro de controle sobre este contaminante no VRP é a taxa de ventilação).Além disso, observa-se que o Modelo 1 e Modelo 3 tiveram desempenhos bastante semelhantes tanto para consumo, redução de apenas 2.1% para resfriamento e 1.4% para aquecimento no consumo anual de energia elétrica no Modelo 3, como para qualidade do ar. Esta semelhança acontece devido ao fato de as taxas de ventilação (10.0 L.s-1.pessoa-1 e 5.0 L.s-1.m-2) aplicadas no objeto Controller:MechanicalVentilation do EnergyPlus, que é responsável pelo cálculo do ar exterior de renovação e que também controla o DCV, serem semelhantes às taxas de projeto utilizadas no dimensionamento do sistema. Além disso, por se tratar do dia de projeto, o sistema é mostrado operando em condições extremas de funcionamento. Assim, a técnica DCV-VRP não se mostrou tão promissora, porém tais dados ainda podem ser redefinidos e reduzidos para menores taxas contanto que se garanta o limite de concentração de CO2 (deve-se lembrar que o único parâmetro de controle sobre este contaminante noVRP é a taxa de ventilação).

Ainda, a técnica avaliada no Modelo 3, na prática, depende de uma leitura ou estimativa da quantidade de pessoas que ocupam o ambiente a cada momento. Durante a simulação, o EnergyPlus obtém estes dados da agenda de ocupação da zona térmica (objeto denominado Schedule:Compact no arquivo de entrada de dados). Na prática, tal contagem é feita por sensores de presença instalados nas entradas e saídas do ambiente, de modo a estimar a ocupação. Além do custo envolvido, este tipo de sistema ainda está sujeito a erros de leitura do número de

pessoas e conseqüente comprometimento da qualidade do ar.

No Modelo 2, com a redução da vazão de ar externo para 30% do valor de projeto, obteve-se uma redução de 8.7% para resfriamento e 1.0% para aquecimento, no consumo anual de energia elétrica (com relação ao Modelo 1) sem comprometer a qualidade do ar. Aparentemente, analisando apenas a Figura 1, o consumo deveria ser menor pela diferença entre as curvas, mas estas condições podem variar bastante durante o ano simulado e são mostradas a título de ilustração. Ainda, é interessante notar na Figura 2, a vazão aproximadamente constante de ar externo, nos sistemas

Contudo, no Modelo 2, a concentração de CO2 ficou sempre entre 550 ppm e 650 ppm. Apenas nas zonas de maior densidade de ocupação a concentração chegou a valores um pouco mais altos, como nas salas de reuniões PAV1_Reunião e PAV2_Bloco2-Reunião (próximo de 700 ppm), no PAVT_Corredor (780 ppm) e no PAV1_Auditório (840 ppm) e, mesmo assim, bem abaixo do limite fixado de 1100 ppm. Deve-se frisar que isso só foi possível devido ao fato do sistemas estar sobredimensionado quanto ao ar de renovação, conforme explicado na Seção 2. Ou seja, nesta situação não existe nenhum controle sobre a ventilação, podendo ocorrer casos insatisfatórios devido ao fato de o ar de renovação ser reduzido durante todo o período de operação, comprometendo a qualidade do ar.


Figura 1: Consumo instantâneo de energia elétrica para resfriamento em cada sistema no Dia de Projeto de Verão.


Figura 2: Vazão de ar de renovação insuflado para cada sistema no Dia de Projeto de Verão.

Figura 3: Concentração interna de CO2 para determinadas zonas térmicas no Dia de Projeto de Verão.

Finalmente, considerando que a concentração de dióxido pode chegar a 1100 ppm sem comprometer o conforto dos ocupantes, e observando as curvas referentes a esta parâmetro na Figura 3, conclui-se que para os modelos 1, 2 e 3 existe bastante espaço para redução da taxa de ar externo e, consequentemente, redução do consumo de energia elétrica. Com base nessa premissa, a técnica IAQP monitora a concentração de CO2 do ambiente e aplica a taxa de ventilação adequada para se manter um nível pré-estabelecido deste contaminante.

Em EnergyPlus, a simulação do ganho interno de CO2 é feito pelos objetos ZoneAirContaminantBalance e People, onde a taxa de geração de 3.82(10)-8 m3.s-1.W-1

(Watt de atividade metabólica humana) é multiplicada pelo nível de atividade de 120

W.pessoa-1 (típico para trabalho em escritório) e pelo número de pessoas no ambiente. Assim, pelo balanço da taxa de ventilação e de geração interna, o algoritmo chega à concentração interna em ppm. Assim, por meio destes parâmetros, o objeto Controller:Mechani-calVentilation aplica as taxas adequadas de ventilação para manter a concentração estabelecida. Na prática, a leitura da concentração de dióxido de carbono é feita por sensores que fazem o controle do equipamento.

Dessa forma, o IAQP foi implementado e seus efeitos podem ser observados na Figura 2 e na Figura 3, onde a taxa de ar externo é diminuída e a concentração CO2

permanece constante em 700 ppm para o Modelo 4 e em 1000 ppm para o Modelo 5. Em alguns casos, o valor especificado pode não ser atingido devido à influência de


outras zonas servidas pelo mesmo condicionador de ar.

A Figura 4 mostra a concentração de CO2

nas zonas térmicas servidas pelos sistemas PAV1_SIST2-VAV e PAV2_SIST1-VAV, para o Modelo 4. Observa-se que para o PAV1_SIST2-VAV, ao tentar manter as condições estabelecidas, de 700 ppm, na zona de maior ocupação (PAV1_Engenharia), as concentrações nas demais zonas caem devidos ao maior volume de ar externo introduzido no sistema. Já quanto ao PAV2_SIST1-VAV, em uma condição de ocupação extrema da zona PAV2_Bloco2-Reunião, já que se refere ao Dia de Projeto, o sistema não consegue mante-la a 700 ppm mesmo com a queda da concentração em PAV2_Bloco1, indicando falta de ar externo no sistema. Neste caso, tal fato ocorreu em raríssimas ocasiões durante a simulação anual, sem a necessidade de modificações no sistema. Caso este fosse um fato recorrente, os parâmetros de projeto deveriam ser modificados e o ar de renovação, aumentado, para que o sistema

Figura 4: Concentração interna de CO2 para as zonas servidas pelos sistemas PAV1_SIST2-VAV e

PAV2_SIST1-VAV no Modelo 4.

se torne capaz de manter a concentração nos valores estabelecidos. Vale lembrar que situações como esta podem ocorrer sempre, pois o EnergyPlus dimensiona os equipamentos para atender a carga térmica e não para a diluição de contaminantes, o que fica a cargo do usuário inserir as taxas de ventilação adequadas.

Como a técnica mais sofisticada, o IAQP também se mostrou a mais efetiva. O Modelo 4 possibilitou uma economia de 15.6% para resfriamento e 2.9% para aquecimento; enquanto no Modelo 5 as reduções foram de 18.2% para resfriamento e 3.0% para aquecimento na demanda anual de energia elétrica.

A grande vantagem do IAQP é a adaptação dinâmica da taxa de ventilação às mudanças nas condições internas do ambiente condicionado. Dessa forma evita-se que quantidades desnecessárias de ar sejam resfriados ou aquecidos para insuflação em zonas controladas com baixa ocupação, o que ocorre em uma parcela considerável de tempo [39], evitando-se desperdícios de energia.

Portanto, o IAQP se mostrou a melhor solução de projeto para sistemas desse tipo por melhor aproveitar os recursos energéticos, resfriando o ar-externo que é responsável por uma parcela considerável da carga térmica, apenas quando este é realmente necessário.

Ainda, considerando a redução de consumo do Modelo 4 para o Modelo 5, a energia demandada para manter a concentração interna de CO2 a 700 ppm não é muito maior que o consumo para 1000 ppm (apenas 3.1%), o que a torna mais um


parâmetro de projeto quando se emprega os controles DCV. Ou seja, pode-se optar entre menor consumo ou melhor qualidade do ar interno.

4. Conclusões

Dos resultados apresentados na Seção 3, a aplicação da Ventilação Sob Demanda baseada na concentração interna de dióxido de carbono, ou CO2-DCV, proporcionou resultados bastante consideráveis, principalmente para a estratégia de controle baseado no Procedimento da Qualidade do Ar Interior ou IAQP. O Procedimento da Taxa de Ventilação ou VRP permitiu uma redução de 15.6% enquanto o IAQP proporcionou 18.2%, ambos com relação à demanda do edifício operando com 100% de ar externo ao longo de um ano climático típico. Deve-se ressaltar que as pequenas economias obtidas para aquecimento não são significativas pois estes processos são realizados pelas serpentinas de reaquecimento.

Um próximo passo da pesquisa apresentada aqui será estender esta análise para outros tipos de sistemas de condicionamento de ar e avaliar como o DCV se comporta nestas. Além disso, o modelo deverá ser expandido de forma a refletir mais precisamente os condomínios comerciais brasileiros, com a inclusão do novos pavimentos. Assim, pode-se avaliar os potenciais de técnicas de eficientização energética, incluindo o DCV, para a redução de demanda da edificação como um todo.

Ainda, como sugestão para futuros trabalhos, seria extremamente interessante efetuar uma análise exergoeconômica das modificações implementadas e das reduções de demanda permitidas pelo DCV. Desta forma, poderia-se obter um mapa das irreversibilidades e regiões de destruição de exergia, além de identificar novas possibilidades de melhorias. Finalmente, outras análises como a exergética permitiriam avaliar outros módulos bastante interessantes do EnergyPlus como o EMS (Energy Management System) que permite inserir rotinas de controle definidas pelo usuário, e o ExternalInterface que permite acoplar o EnergyPlus a outros simuladores como o MATLAB/ Simulink e trocar informações entre os modelos conforme a simulação prossegue.

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