tese mestrado nelson tavares 2011

Upload: johannesjanzen6527

Post on 06-Jan-2016

9 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

TRANSCRIPT

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    1/238

    minha esposa Rita e ao nosso filho

    Bruno que se juntou a ns este ano.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    2/238

    ii

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    3/238

    iii

    Agradecimentos

    O trabalho realizado na elaborao desta tese teve significativo contributo de vrias

    pessoas a quem quero agradecer. Sem o contributo delas, direto ou indireto, no teria sido

    possvel desenvolver o trabalho aqui apresentado.

    No mbito pessoal agradeo minha esposa Rita, pelo apoio, compreenso e pelo tempo

    que no lhe dediquei a ela e ao nosso filho.

    No campo acadmico quero em primeiro lugar destacar o meu orientador, o Professor

    Doutor Lus Manuel Rodrigues Coelho. Pelos seus conhecimentos, pela excelncia da

    orientao e pela sua vasta experincia em modelao nas reas aqui abordadas.

    Agradeo Hemera Energy, pela cedncia das imagens dos estudos da eficcia de

    ventilao em edifcios.

    Agradeo ainda ao Professor Mestre Joo Garcia e Engenheira Rita Cerdeira pela partilha

    de conhecimento e especial apoio em diversas componentes desta tese.

    Em ltimo lugar, mas no propriamente por terem tido menor contribuio na realizao

    desta tese, agradeo a todos os professores do Mestrado Energia, por me terem dado as

    ferramentas necessrias para a realizao desta tese. Graas a eles penso ter conseguido

    atingir um novo patamar de conhecimento. Um especial obrigado queles a quem recorri nabusca de solues para os meus problemas.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    4/238

    iv

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    5/238

    v

    Resumo

    Este estudo teve dois objetivos principais que partida parecem dissociados. O primeiro

    objetivo foi a simulao de cargas trmicas num edifcio e a respetiva dissipao ou captao

    no subsolo, de forma a se efetuar o dimensionamento de uma bomba de calor geotrmica e

    das unidades terminais de climatizao dos espaos simulados. O segundo objetivo foi o

    estudo do escoamento do ar insuflado, em diversos espaos de diferentes tipologias, segundo

    uma variante do mtodo de ventilao por deslocamento, utilizada pelo sistema AdvanClim.

    Esse sistema foi testado em espaos com diferentes geometrias para obteno do valor da

    eficcia de ventilao. Neste estudo foram realizados ensaios experimentais com fumo em

    instalaes reais que so servidas pelo sistema AdvanClim. Sendo este estudo composto porduas partes distintas, convm referenciar que o elo de ligao entre elas a utilizao de

    programas de clculo numrico. Na primeira parte dos trabalhos apresentados nesta tese

    recorreu-se utilizao de software de simulao energtica de edifcios e de software de

    clculo paramtrico para o dimensionamento de furos geotrmicos. Na segunda parte do

    trabalho recorreu-se utilizao de software de clculo numrico do escoamento de fluidos,

    para a determinao da eficcia de ventilao e a identificao das linhas de corrente. O

    trabalho efetuado na primeira parte do estudo surge por convite do orientador da tese. A minha

    participao voluntria no projeto GROUND-MEDdeve-se ao meu interesse em aprender com

    alguns dos maiores especialistas europeus em energia, presentes em projetos com a dimenso

    e importncia deste. O projeto Advanced Ground Source Heat Pump Systems for Heating and

    Cooling in Mediterranean Climate tem o n de contrato TREN/FP7EN/218895/GROUND-

    MED. A segunda parte da tese resulta de um trabalho tcnico realizado para a empresa

    Hemera Energy, desenvolvido por mim e com a coordenao do Professor Doutor Lus Coelho,

    o meu orientador de tese. A incluso de todos estes temas deveu-se vontade de realizar uma

    tese onde para alm da pesquisa, fosse possvel aplicar os conhecimentos obtidos no

    Mestrado Energia, que pudesse ser considerada uma investigao e que estivesse enquadrada

    com a realidade do mercado empresarial. Dada a atual situao econmica mundial,

    especialmente a de Portugal e de outros pases da Europa, na minha opinio cada vez mais

    importante desenvolverem-se trabalhos acadmicos orientados para as empresas. As

    empresas por seu lado comeam a descobrir que a modernizao fundamental, para tal iro

    recorrer cada vez mais s ferramentas tecnolgicas disponveis, para melhorar os seus

    produtos e servios, comeando esse esforo a ser feito na fase de projeto. Existem campos

    da engenharia onde s pessoal especializado poder atuar, por outro lado a especializao

    facilita a penetrao no mercado de trabalho e a empregabilidade.

    Palavras-chave: geotermia, cargas trmicas, simulao, clculo numrico, CFD.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    6/238

    vi

    Abstract

    This study had two principal purposes that apparently nothing have in common. The first one

    was the simulation of thermal loads of a building and the corresponding exchange of energy

    with the underground, aiming the design of a Ground Source Heat Pump and the

    acclimatization terminal units for the simulated spaces. The second purpose was the study of

    supply air distribution of an adapted displacement ventilation system, used on AdvanClim

    systems. That system was tested on spaces with different geometric forms to obtain the space

    ventilation effectiveness. In that study some smoke experiments had been accomplished in real

    facilities served by AdvanClimsystem. Hence this study has two dissimilar parts its necessary

    to establish the link between them. That link is the use of numeric calculation software. On thefirst part it was used a software for building thermodynamic simulations and other one that does

    parametric calculations for borehole heat exchanger design. On the second part it was used a

    Computational Fluid Dynamics (CFD) software to achieve air distribution patterns and

    ventilation effectiveness data. The first half of the work done for this thesis was proposed by my

    thesis tutor. My voluntary participation on GROUND-MED project appears, given my wish of

    learning from the many European energy experts working on such a big and important project.

    The Advanced Ground Source Heat Pump Systems for Heating and Cooling in Mediterranean

    Climate has the contract number TREN/FP7EN/218895/GROUND-MED. The second half of

    this thesis came from a technical work done to Hemera Energy Company, developed by me

    with the supervision of Professor PhD Lus Coelho, my thesis tutor. The mix of themes done

    here is based on the idea to produce a thesis with extended contents; not merely a reporting

    work but including some research, applying all the theoretical bases learned on the Energy

    Master classes and fully adapted to the actual business market needs. Concerning the world

    economic situation, particularly in Portugal and other European Union countries, my opinion is

    that academic knowledge should be passed to companies with that kind of thesis.

    Manufacturing companies starts to believe that modernization of their methods and techniques

    is the only way out to survive, so the application of available technological tools will improve

    their products and services, when used since the product design. That opens space to

    experimented engineers, with skills on some computational tools, to work on those corporations.

    In addition, a differenced technical capability gives to the engineer an advantage in the

    competitive job market and makes his employability easier.

    Keywords: geothermal energy, thermal loads, simulation, numeric calculation, CFD.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    7/238

    vii

    ndice

    Agradecimentos ............................................................................................................................ iiiResumo .......................................................................................................................................... v

    Abstract ......................................................................................................................................... vi

    ndice ............................................................................................................................................ vii

    Lista de Tabelas ........................................................................................................................... xv

    Siglas e Acrnimos ..................................................................................................................... xvii

    Smbolos ..................................................................................................................................... xxi

    Captulo 1 - Introduo ..................................................................................................................1

    1.1. Objetivos .................................................................................................................................2

    1.2. Relevncia do estudo ..............................................................................................................3

    1.3. Motivao ................................................................................................................................6

    1.4. Organizao da tese ...............................................................................................................7

    Captulo 2 Reviso bibliogrfica .................................................................................................9

    2.1. Simulao de cargas trmicas ..............................................................................................10

    2.2. Geotermia ..............................................................................................................................11

    2.3. Ventilao por deslocamento ................................................................................................17

    2.3.1. Normas e procedimentos ..........................................................................................17

    2.3.2. Parmetros de referncia ..........................................................................................292.3.3. Pesquisa ....................................................................................................................30

    Captulo 3 Simulao numrica (teoria) ...................................................................................35

    3.1. Clculo de cargas trmicas ...................................................................................................36

    3.2. Geotermia ..............................................................................................................................39

    3.3. Computational fluid dynamics ...............................................................................................41

    3.3.1. Generalidades ...........................................................................................................41

    3.3.2. Conceo dos projetos ..............................................................................................43

    3.3.3. Consideraes tericas ao FLUENT .........................................................................47

    Captulo 4 Simulao numrica (casos) ...................................................................................514.1. Clculo de cargas trmicas ...................................................................................................52

    4.2. Geotermia ..............................................................................................................................58

    4.3. Computational fluid dynamics ...............................................................................................62

    4.3.1. Anlise da trajetria e das linhas de corrente ...........................................................64

    4.3.1.1. Espao 1 .................................................................................................................64

    4.3.1.2. Espao 2 .................................................................................................................75

    4.3.1.3. Espao 3 .................................................................................................................86

    4.3.2. Anlise da eficcia de ventilao ..............................................................................89

    4.3.2.1. Espao 4 .................................................................................................................89

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    8/238

    viii

    4.3.2.2. Espao 5 .............................................................................................................. 107

    4.3.2.3. Espao 6 .............................................................................................................. 129

    Captulo 5 Resultados ............................................................................................................ 139

    5.1. Clculo de cargas trmicas ................................................................................................ 140

    5.2. Geotermia ........................................................................................................................... 1465.3. Computational fluid dynamics ............................................................................................ 150

    Captulo 6 Concluses ........................................................................................................... 163

    6.1. Clculo de cargas trmicas ................................................................................................ 164

    6.2. Geotermia ........................................................................................................................... 166

    6.3. Computational fluid dynamics ............................................................................................ 168

    Captulo 7 Desenvolvimento Futuro....................................................................................... 171

    Captulo 8 Bibliografia ............................................................................................................ 173

    ANEXOS ..................................................................................................................................... ...A

    Anexo I: Mtodo de clculo bombas de calor........C

    Anexo II: Artigo cientfico.................E

    Anexo III: Tutorial CFD ANSYS 13.........G

    Anexo IV: Equipamento de medio ........W

    Anexo V: Folha de caractersticas .......AA

    Anexo VI: Caudais mnimos ASHRAE ............EE

    Anexo VII: Tabela da eficcia ASHRAE ............II

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    9/238

    ix

    Lista de Figuras

    Figura 2.1 Circuito primrio de um sistema bomba de calor geotrmica, de anelfechado ................................................................................................................12

    Figura 2.2 Variao da temperatura do solo ao longo do ano ..................................................13

    Figura 2.3 Esquema de princpio do funcionamento de uma bomba de calor por ciclo

    de compresso de vapor .....................................................................................15

    Figura 2.4 Movimento do ar num espao climatizado por um sistema de ventilao por

    deslocamento tpico .............................................................................................21

    Figura 2.5 Tipos de ar existentes num edifcio com ventilao por deslocamento ..................28

    Figura 3.1 Estrutura hierrquica do modelo de simulao no programa DesignBuilder ..........36

    Figura 3.2 Analogia eltrica para a transferncia de calor por conduo em elementosda envolvente exterior ..........................................................................................38

    Figura 3.3 Fases de trabalho numa anlise CFD .....................................................................42

    Figura 3.4 Geometrias possveis para a criao de malha (da esquerda para a direita -

    tetraedro, hexaedro, pirmide e prisma) ..............................................................43

    Figura 3.5 Escala e gama de valores para o Skewness indicador da qualidade da

    malha gerada .......................................................................................................43

    Figura 3.6 Modelos de turbulncia disponveis no FLUENT ....................................................46

    Figura 3.7 Tratamento da lei da parede pelo modelo de turbulncia k-SST ........................49

    Figura 4.1 Localizao, orientao (Google Earth) e aspeto do edifcio simulado (foto:

    Nelson Tavares) ...................................................................................................52

    Figura 4.2 Modelo 3D do edifcio simulado termicamente (DesignBuilder) ..............................53

    Figura 4.3 Constituio da envolvente exterior opaca (DesignBuilder) ....................................53

    Figura 4.4 Dimenso e tipo de envidraados existentes no piso 3 (foto: Nelson

    Tavares) ...............................................................................................................54

    Figura 4.5 Percentagem de rea da fachada preenchida por vos envidraados a Sul e

    Oeste (DesignBuilder) ..........................................................................................55

    Figura 4.6 Identificao dos espaos no piso 3 (piso simulado) com sistema declimatizao (DesignBuilder) ...............................................................................55

    Figura 4.7 Perfil de ocupao do edifcio (DesignBuilder) ........................................................56

    Figura 4.8 Perfil de iluminao do edifcio (DesignBuilder) ......................................................56

    Figura 4.9 Menu de introduo das cargas base mensais no programa EED;

    esquerda valor anual e frao mensal, direita valores mensais.......................59

    Figura 4.10 Menu de introduo da potncia de pico mensal no programa EED ....................59

    Figura 4.11 Menu de introduo das propriedades do solo no programa EED .......................60

    Figura 4.12 Indicao qualitativa do espaamento entre centros do duplo U (EED) ...............60

    Figura 4.13 Modelo 3D do Espao 1, situao base (DesignModeler) ....................................65

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    10/238

    x

    Figura 4.14 Aspeto da malha do Espao 1 a) em corte (Meshing) .......................................... 66

    Figura 4.15 Anlise da qualidade da malha: Skewness (Meshing) ......................................... 66

    Figura 4.16 Falha na gerao da malha no tampo frontal da secretria (FLUENT) ................ 67

    Figura 4.17 Grelha de extrao 1 do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post)........................ 68

    Figura 4.18 Grelha de extrao 2 do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post)........................ 68Figura 4.19 - Grelha de insuflao 1 do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post) ...................... 69

    Figura 4.20 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post) ...................... 69

    Figura 4.21 Grelha de insuflao 2 do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post) ..................... 70

    Figura 4.22 Plano da cadeira do Espao 1 a) com mobilirio (CFD-Post) .............................. 70

    Figura 4.23 Contorno da velocidade a 2 m do solo no Espao 1 a) com mobilirio

    (CFD-Post) .......................................................................................................... 71

    Figura 4.24 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 b) com mobilirio, inclinao a 0

    (CFD-Post) .......................................................................................................... 71

    Figura 4.25 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 b) com mobilirio, inclinao a 0

    (CFD-Post) .......................................................................................................... 72

    Figura 4.26 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 b) com mobilirio, inclinao a 20

    (CFD-Post) .......................................................................................................... 72

    Figura 4.27 - Grelha de insuflao 1 do Espao 1 c) no Vero, com mobilirio (CFD-Post) ..... 74

    Figura 4.28 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 c) no Vero com mobilirio (CFD-Post) ...... 74

    Figura 4.29 - Grelha de insuflao 1 do Espao 1 c) no Inverno com mobilirio (CFD-

    Post) .................................................................................................................... 75

    Figura 4.30 - Grelha de insuflao 2 do Espao 1 c) no Inverno com mobilirio (CFD-

    Post) .................................................................................................................... 75

    Figura 4.31 Modelo 3D do Espao 2 a) situao base (DesignModeler) ................................ 76

    Figura 4.32 Aspeto da malha do espao 2 a) em corte (Meshing) .......................................... 77

    Figura 4.33 - Insuflao do Espao 2 a) sem teto falso (CFD-Post) .......................................... 78

    Figura 4.34 Grelha de insuflao 1 do Espao 2 a) sem teto falso (CFD-Post) ...................... 79

    Figura 4.35 - Grelha de insuflao 1 do Espao 2 b) sem teto falso Vero (CFD-Post) ......... 80

    Figura 4.36 - Grelha de insuflao 1 do Espao 2 b) sem teto falso Inverno (CFD-Post) ....... 80

    Figura 4.37 Modelo 3D do Espao 2 c) situao base (DesignModeler) ................................. 81

    Figura 4.38 Aspeto da malha do Espao 2 c) em corte (Meshing) .......................................... 82Figura 4.39 Anlise da qualidade da malha: Skewness (Meshing) ......................................... 82

    Figura 4.40 - Grelha de insuflao 1 do Espao 2 c) teto falso recuado - 3D (CFD-Post) ......... 83

    Figura 4.41 - Grelha de insuflao 1 do Espao 2 c) teto falso recuado (CFD-Post) ................. 83

    Figura 4.42 - Grelhas de insuflao 1 e 2 do Espao 2 c) teto falso recuado - 3D (CFD-

    Post) .................................................................................................................... 84

    Figura 4.43 - Grelha de insuflao 2 do Espao 2 c) teto falso recuado - 3D (CFD-Post) ......... 85

    Figura 4.44 - Grelha de insuflao 1 do Espao 2 c) teto falso recuado - 3D (CFD-Post) ......... 85

    Figura 4.45 - Plano a 2 metros do solo do Espao 2 c) teto falso recuado (CFD-Post) ............. 86

    Figura 4.46 Modelo 3D do Espao 3 (DesignModeler) ............................................................ 86

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    11/238

    xi

    Figura 4.47 Aspeto da malha do Espao 3 (Meshing) ..............................................................87

    Figura 4.48 Anlise da qualidade da malha: Skewness (Meshing) ..........................................88

    Figura 4.49 Modelo 3D do Espao 4 a) variante 1 (DesignModeler) ........................................90

    Figura 4.50 Aspeto da malha do Espao 4 a) em corte, refinada junto s secretrias

    (Meshing) .............................................................................................................91Figura 4.51 Anlise da qualidade da malha: Skewness (Meshing) ..........................................91

    Figura 4.52 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 a) contornos de velocidade (CFD-

    Post) .....................................................................................................................93

    Figura 4.53 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 a) vetores de velocidade (CFD-Post) ........93

    Figura 4.54 Valores a obter para clculo da eficcia de ventilao dos espaos

    Espao 4 a) (CFD-Post) .......................................................................................94

    Figura 4.55 Concentrao de CO2na sala de aulas variante 1 (CFD-Post) .........................95

    Figura 4.56 Concentrao de CO2no plano perpendicular grelha de extrao 1 na

    sala de aulas variante 1: contornos (CFD-Post) ...............................................95

    Figura 4.57 Modelo 3D do Espao 4 b) - variante 2 (DesignModeler) .....................................96

    Figura 4.58 Aspeto da malha do Espao 4 b) em corte, refinada junto boca dos

    ocupantes (Meshing) ...........................................................................................96

    Figura 4.59 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 b) contornos (CFD-Post) ...........................97

    Figura 4.60 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 b) vetores velocidade (CFD-Post) .............97

    Figura 4.61 Velocidade do ar no plano a 2 metros de altura contornos (CFD-Post) .............98

    Figura 4.62 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao dos espaos

    Espao 4 b) (CFD-Post) .......................................................................................98

    Figura 4.63 Concentrao de CO2na sala de aulas variante 2 (CFD-Post) .........................99

    Figura 4.64 Concentrao de CO2no plano perpendicular grelha de extrao 2 na

    sala de aulas variante 2: contornos (CFD-Post) ...............................................99

    Figura 4.65 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 c) contornos velocidade (CFD-Post) .......101

    Figura 4.66 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 c) vetores de velocidade (CFD-Post) ......101

    Figura 4.67 Velocidade do ar no plano a 2 m de altura do Espao 4 c) - contornos

    (CFD-Post) .........................................................................................................102

    Figura 4.68 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 4 c) (CFD-

    Post) ...................................................................................................................102Figura 4.69 Concentrao de CO2na sala de aulas Vero Espao 4 c) (CFD-Post) ......103

    Figura 4.70 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 d) contornos velocidade (CFD-Post) .......104

    Figura 4.71 - Grelha de insuflao 2 do Espao 4 d) vetores de velocidade (CFD-Post) ......105

    Figura 4.72 Velocidade do ar no plano a 2 m de altura do Espao 4 d) - contornos

    (CFD-Post) .........................................................................................................106

    Figura 4.73 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 4 d)

    (CFD-Post) .........................................................................................................106

    Figura 4.74 Concentrao de CO2na sala de aulas Vero Espao 4 d) (CFD-Post) ......107

    Figura 4.75 Gabinete individual geometria base Espao 5 .................................................107

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    12/238

    xii

    Figura 4.76 Aspeto da malha do Espao 5 a) em corte (Meshing) ........................................ 108

    Figura 4.77 Anlise da qualidade da malha: Skewness (Meshing) ....................................... 109

    Figura 4.78 - Grelha de insuflao 1 do Espao 5 a) (CFD-Post) ............................................ 111

    Figura 4.79 - Grelha de insuflao 2 do Espao 5 a) (CFD-Post) ............................................ 111

    Figura 4.80 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 5 a)(CFD-Post) ........................................................................................................ 112

    Figura 4.81 Velocidade do ar no plano da Gi1 do Espao 5 a) - contornos (CFD-Post) ....... 112

    Figura 4.82 Velocidade do ar no plano da Gi2 do Espao 5 a) - contornos (CFD-Post) ....... 113

    Figura 4.83 Concentrao de CO2no Espao 5 a) soluo base Vero (CFD-Post) ........ 113

    Figura 4.84 - Grelha de insuflao 1 do Espao 5 b) (CFD-Post) ............................................ 114

    Figura 4.85 - Grelha de insuflao 2 do Espao 5 b) (CFD-Post) ............................................ 115

    Figura 4.86 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 5 b)

    (CFD-Post) ........................................................................................................ 115

    Figura 4.87 Velocidade do ar no plano da Gi2 do Espao 5 b) - contornos (CFD-Post) ....... 116

    Figura 4.88 Concentrao de CO2no Espao 5 b) inverno (CFD-Post)................................ 116

    Figura 4.89 Sala de desenho com conduta encostada parede (DesignModeler) ............... 117

    Figura 4.90 Aspeto da malha do Espao 5 c) em corte (Meshing) ........................................ 117

    Figura 4.91 Anlise da qualidade da malha: Skewness(Meshing) ....................................... 118

    Figura 4.92 - Grelha de insuflao 1 do Espao 5 c) (CFD-Post)............................................. 119

    Figura 4.93 - Grelha de insuflao 2 do Espao 5 c) (CFD-Post)............................................. 119

    Figura 4.94 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 5 c) (CFD-

    Post) .................................................................................................................. 120

    Figura 4.95 Velocidade do ar no plano da Gi1 do Espao 5 c) - contornos (CFD-Post) ....... 120

    Figura 4.96 - Concentrao de CO2no Espao 5 c) Vero (CFD-Post) ................................ 121

    Figura 4.97 Velocidade do ar no plano da Gi2 do Espao 5 d) - contornos (CFD-Post) ....... 121

    Figura 4.98 Velocidade do ar no plano da Gi2 do Espao 5 d) - contornos (CFD-Post) ....... 122

    Figura 4.99 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 5 d)

    (CFD-Post) ........................................................................................................ 122

    Figura 4.100 - Concentrao de CO2no Espao 5 d) Inverno (CFD-Post) ........................... 123

    Figura 4.101 Sala de desenho com conduta encostada parede (DesingModeler) ............. 123

    Figura 4.102 Aspeto da malha do Espao 5 e) em corte (Meshing) ...................................... 124Figura 4.103 Anlise da qualidade da malha: Skewness(Meshing) ..................................... 124

    Figura 4.104 - Grelha de insuflao 1 do Espao 5 e) (CFD-Post) .......................................... 125

    Figura 4.105 - Grelha de insuflao 2 do Espao 5 e) (CFD-Post) .......................................... 126

    Figura 4.106 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao Espao 5 e) (CFD-

    Post) .................................................................................................................. 126

    Figura 4.107 Velocidade do ar no plano do ocupante Espao 5 e) - contornos (CFD-

    Post) .................................................................................................................. 127

    Figura 4.108 - Concentrao de CO2no Espao 5 e) Vero (CFD-Post) ............................. 127

    Figura 4.109 Velocidade do ar no plano da Gi1 do Espao 5 f) - contornos (CFD-Post) ...... 128

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    13/238

    xiii

    Figura 4.110 Velocidade do ar no plano da Gi2 do Espao 5 f) - contornos (CFD-Post) .......128

    Figura 4.111 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 5 f)

    Inverno (CFD-Post) ............................................................................................129

    Figura 4.112 - Concentrao de CO2no Espao 5 f) Inverno (CFD-Post) .............................129

    Figura 4.113 - Grelha de insuflao 1 do Espao 6 a) (CFD-Post) ...........................................131Figura 4.114 - Grelha de insuflao 2 do Espao 6 a) (CFD-Post) ...........................................132

    Figura 4.115 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 6 a)

    (CFD-Post) .........................................................................................................132

    Figura 4.116 Velocidade do ar no plano da Gi1 do Espao 6 a) - contornos (CFD-Post) ......133

    Figura 4.117 Velocidade do ar no plano do ocupante do Espao 6 a) - contornos (CFD-

    Post) ...................................................................................................................133

    Figura 4.118 Concentrao de CO2no Espao 6 a) Vero (CFD-Post) .............................134

    Figura 4.119 - Grelha de insuflao 1 do Espao 6 b) (CFD-Post) ...........................................135

    Figura 4.120 - Grelha de insuflao 2 do Espao 6 b) (CFD-Post) ...........................................135

    Figura 4.121 - Valores obtidos para clculo da eficcia de ventilao do Espao 6 b)

    (CFD-Post) .........................................................................................................136

    Figura 4.122 Velocidade do ar no plano do ocupante no Espao 6 b) - contornos (CFD-

    Post) ...................................................................................................................136

    Figura 4.123 Concentrao de CO2no Espao 6 b) - Inverno (CFD-Post) ............................137

    Figura 5.1 Valor das cargas trmicas ao longo do ano base horria (DesignBuilder) ........140

    Figura 5.2 Evoluo das temperaturas e da humidade relativa no interior do piso 3

    (DesignBuilder) ..................................................................................................141

    Figura 5.3 - Evoluo das temperaturas e da humidade relativa no piso 3, semana de 22

    a 26 de Julho (DesignBuilder) ...........................................................................142

    Figura 5.4 Renovao de ar novo e energia gasta com a introduo de ar no edifcio

    (DesignBuilder) ..................................................................................................142

    Figura 5.5 Ganhos internos e energia trmica gastos para colmatar necessidades

    adicionais ou resultantes (DesignBuilder) .........................................................143

    Figura 5.6 Balano trmico das superfcies do piso 3 (DesignBuilder) ..................................143

    Figura 5.7 Consumo estimado anual com utilizao de bomba de calor convencional .........144

    Figura 5.8 Configurao n 6 dos furos no programa EED ....................................................146Figura 5.9 Temperatura da gua nos furos 1 mtodo (EED) .............................................146

    Figura 5.10 Evoluo da temperatura do fluido ao longo de 25 anos 1 mtodo (EED) .....147

    Figura 5.11 Temperatura da gua nos furos 2 mtodo (EED) ...........................................148

    Figura 5.12 Evoluo da temperatura do fluido ao longo de 25 anos 2 mtodo (EED) .....148

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    14/238

    xiv

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    15/238

    xv

    Lista de Tabelas

    Tabela 2.1 Valores do parmetro gmpara diferentes solos .....................................................13

    Tabela 2.2 Caracterizao do ar interior segunda a EN 13779 ................................................23

    Tabela 2.3 Caracterizao do ar exterior em funo da presena de elementos

    indesejveis segundo a EN 13779 ...................................................................23

    Tabela 2.4 Valores mximos de referncia, em edifcios de servios para os poluentes

    a controlar no mbito do RSECE .........................................................................24

    Tabela 2.5 Valores de ar novo (exterior) por ocupante, segundo a norma EN 13779 .............25

    Tabela 2.6 Delimitao da zona ocupada de um espao climatizado ......................................26

    Tabela 2.7 Valores tpicos para a eficcia de ventilao por tipo de difuso de ar ..................26

    Tabela 3.1 Parmetros por defeito para aplicaes de CFD ....................................................45

    Tabela 4.1 Parmetros de entrada da simulao do espao 1 a) ............................................67

    Tabela 4.2 Parmetros de entrada da simulao do espao 1 c) em arrefecimento ...............73

    Tabela 4.3 Parmetros de entrada da simulao do espao 1 c) em aquecimento ................73

    Tabela 4.4 Parmetros de entrada da simulao do espao 2 a) situao base .....................78

    Tabela 4.5 Parmetros de entrada da simulao do espao 2 b) em arrefecimento ...............79

    Tabela 4.6 Parmetros de entrada da simulao do espao 2 b) em aquecimento ................80

    Tabela 4.7 Parmetros de entrada da simulao do espao 2 c) ............................................82

    Tabela 4.8 Parmetros de entrada da simulao do Espao 3 ................................................88

    Tabela 4.9 Parmetros de entrada da simulao do Espao 4 a) variante 1 ...........................92

    Tabela 4.10 Parmetros de entrada da simulao do espao 4 c) variante 2 .......................100

    Tabela 4.11 Parmetros de entrada da simulao do espao 4 d) variante 2 .......................104

    Tabela 4.12 Parmetros de entrada da simulao do espao 5 a) ........................................110

    Tabela 4.13 Parmetros de entrada da simulao do espao 5 b) ........................................114

    Tabela 4.14 Parmetros de entrada da simulao do espao 6 a) ........................................130

    Tabela 4.15 Parmetros de entrada da simulao do espao 6 b) ........................................134

    Tabela 5.1 Potncia de projeto, por modo de climatizao, das unidades terminais dos

    espaos climatizados .........................................................................................144

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    16/238

    xvi

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    17/238

    xvii

    Siglas e Acrnimos

    AdvanClim Sistema de climatizao proprietrio da Hemera Energy

    AIVC Air Infiltration and Ventilation Centre

    ANSYS Programa para aplicaes de engenharia

    API American Petroleum Institute

    AQS guas quentes sanitrias

    ARH Centro Administrao da Regio Hdrica do Centro

    ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning

    Engineers

    AVAC Aquecimento Ventilao e Ar Condicionado

    BHE Borehole Heat Exchangers

    BTES Boreholes Thermal Energy Storage

    CAD Computer-Aided Design

    CCDRC Comisso de Coordenao e Desenvolvimento Regional do Centro

    CFD Computacional Fluid Dynamics

    CFD-Post Ps processador grfico ANSYS

    clo Valor da resistncia trmica do vesturio

    CoP Coefficient of Performance

    COV Compostos Orgnicos Volteis

    CO2 Dixido de Carbono

    CRE Contaminant Removal Efficiency

    DesignBuilder Interface grfica do programa EnergyPlus

    DesignModeler Programa de edio de geometrias (ANSYS)

    DOE Department Of Energy

    EED Earth Energy Designer

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    18/238

    xviii

    EER Energy Efficiency Ratio

    EnergyPlus Programa de simulao trmica de edifcios

    EPBD Energy Performance of Buildings Directive

    EU Unio Europeia

    EUA Estados Unidos da Amrica

    FL Fronteira livre

    FLUENT Programa de clculo numrico

    GROUNDHIT Ground Coupled Heat Pumps of High Technology

    GROUND-REACH Projeto europeu financiado pela Intelligent Energy Europe

    GSHP Ground Source Heat Pumps

    IDA Indoor Air

    ISO International Organization for Standardization

    Meshing Programa de gerao da malha (ANSYS)

    NZEB Net Zero Energy Buildings

    OCDE Organizao de Cooperao e de Desenvolvimento Econmico

    ODA Outdoor Air

    OMS Organizao Mundial de Sade

    O2 Oxignio

    PEAD Polietileno de Alta Densidade

    ppm, ppmv Partes por milho em volume

    ppmm Partes por milho em massa

    QAI Qualidade do Ar Interior

    RCCTE Regulamento das Caractersticas de Comportamento Trmico dos

    Edifcios

    REHVA Federao Europeia das Associaes do Aquecimento Ventilao e Ar

    Condicionado

    RSECE Regulamento dos Sistemas Energticos de Climatizao em Edifcios

    SI Sistema Internacional

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    19/238

    xix

    SIMPLEC Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Consistent

    WHO World Health Organization

    Workbench Ambiente integrado de modelao geomtrica, gerao e anlise da

    malha (ANSYS)

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    20/238

    xx

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    21/238

    xxi

    Smbolos

    Letras Romanas

    rea de DuBois

    AH Fator de correo da amplitude com base na profundidade

    A0 rea efetiva de passagem do ar pela grelha ou difusor

    rea ocupada do espao

    C Concentrao mdia

    Concentrao na extrao de ar

    Concentrao interior

    Concentrao do ar novo insuflado

    Coa Concentrao do ar exterior

    Cp Calor especfico

    Constante de valor 1,42

    Constante de valor 1,68 Termo da difuso cruzada

    Energia

    Eficincia de ventilao do espao (ASHRAE)

    Eficcia de ventilao (ASHRAE)

    Gerao de energia cintica turbulenta devido impulso

    Gerao de energia cintica turbulenta devido aos gradientes da

    velocidade mdia

    Gerao de energia cintica turbulenta

    gm Fator de correo relacionado com o material do solo

    Gerao de

    g Acelerao gravtica

    h Profundidade (metros)

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    22/238

    xxii

    I Tensor Unitrio

    JH Hora para a qual se pretende calcular a temperatura do solo

    Energia cintica turbulenta

    Constante de proporcionalidade

    l Altura

    m Massa

    Caudal mssico

    M Metabolismo

    MM Massa molar ou molecular

    Taxa de ventilao pulmonar Caudal mssico do sistemaN Nmero de espcies

    Nbh Nmero de furos geotrmicos

    p Presso esttica

    ppm Partes por milho

    Pr Nmero de Prandtl

    Quantidade mxima de pessoas esperada para um espao

    Q Caudal volmico

    Qbh Caudal volmico por furo

    Potncia da unidade de produo de gua quente

    Calor trocado por conveco exterior

    Taxa de emisso de poluentes

    Caudal de ar exterior

    Calor que atravessa uma parede

    Calor recebido devido radiao incidente (direta e difusa)

    Caudal de ar insuflado

    Potncia do sistema de climatizao

    Caudal ventilado

    Caudal de ar novo a insuflar

    Caudal de ar novo por unidade de rea

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    23/238

    xxiii

    Re Nmero de Reynolds

    Taxa lquida de produo da espcie i

    Caudal de ar novo por pessoa

    RQ Respiratory Quotient

    Termo adicional na equao do modelo de turbulncia k-RNG

    Taxa de criao da espcie i

    , , , Fonte ou gerao de massa

    t Tempo

    Temperatura

    Temperatura ambiente

    Mdia anual da temperatura exterior

    Temperatura de retorno

    Temperatura do ar expirado

    Tg Temperatura do solo

    Temperatura sada

    U coeficiente global de transferncia de calor

    U0 Velocidade de descarga

    V Volume

    Caudal de ar novo a fornecer zona ocupada

    Caudal efetivo de ar novo a introduzir no espao

    VS Fator de correo de fase

    Humidade absoluta ou especfica

    Frao de ar exterior no ar insuflado

    Percentagem de ar novo

    y Vetor de sada das matrizes

    Dissipao da espcie i

    Dissipao de

    Contribuio da variao da dilatao para a taxa de dissipao

    global

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    24/238

    xxiv

    Dissipao de

    Percentagem de ar novo insuflada na zona

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    25/238

    xxv

    Letras gregas

    Inverso do nmero de Prandtl efetivo para

    Inverso do nmero de Prandtl efetivo para

    Taxa de dissipao da energia cintica turbulenta

    a Eficincia de renovao de ar

    ap ndice local de renovao de ar

    cp ndice de qualidade local do ar

    Eficcia de ventilao

    Frao de tempo em que o sistema est ligado

    /, / Modelos de turbulncia

    /RNG Modelo /(Re-Normalization Group Theory)

    /Standard Modelo /de base

    /SST Modelo /Shear-Stress Transport

    /Standard Modelo /de base

    Viscosidade dinmica

    Viscosidade dinmica efetiva do fluido Viscosidade dinmica do fluido i Massa volmica

    Tensor das foras de corte

    Idade mdia do ar

    Idade mdia local do ar Taxa especfica de dissipao da energia cintica turbulenta

    Difusividade efetiva de

    Difusividade efetiva de

    Intervalo de tempo

    Diferena da temperatura mdia mensal mais elevada para a

    temperatura mdia mensal mais baixa

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    26/238

    xxvi

    Outros smbolos

    {A}, {B}, {C}, {D} Coeficientes das matrizes

    / Derivada do vetor das variveis de estado em ordem ao tempo

    Foras Externas Atuantes Sobre os Corpos Vetor velocidade[x] Vetor das variveis de estado

    [u] Vetor das entradas das matrizes

    Variao da massa volmica

    Intervalo de tempo

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    27/238

    1

    Captulo 1 - Introduo

    No primeiro ponto deste captulo feita a descrio dos objetivos da tese e o seu

    enquadramento prtico no mundo empresarial; no segundo ponto explicada a relevncia

    desta para o autor, para quem a venha a ler com o intuito de poder aplicar os fundamentos e

    metodologias aqui descritos ou para quem possa eventualmente beneficiar do trabalho e

    aprendizagem conseguidos com a sua realizao; num terceiro ponto apresenta-se a

    motivao do autor para a realizao do trabalho apresentado; por ltimo, no quarto ponto

    apresenta-se a estrutura deste documento, cujo objetivo orientar o leitor diretamente para os

    temas que lhe suscitem curiosidade, dada a natureza dos diferentes temas abordados. O ponto

    4 deste captulo tem ainda como misso descrever o modo como os temas abordados se

    articulam entre si e apresentar um resumo de cada um, em poucas linhas, para fcil perceo

    da temtica pelo leitor.

    Nota: Esta tese foi escrita em consonncia com o novo acordo ortogrfico da lngua

    portuguesa.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    28/238

    2

    1.1. Objetivos

    Esta tese divide-se em duas partes, a primeira delas com duas temticas e a segunda com

    uma. A razo de ser desta estrutura deve-se ao facto de terem sido aproveitados os temas detrabalhos e estudos, realizados pelo autor no ltimo ano, com o propsito de apresentar uma

    tese que til ao mercado empresarial, em particular s atividades de engenharia ligadas ao

    sector imobilirio.

    O primeiro objetivo dos trabalhos efetuados foi a simulao de cargas trmicas num edifcio

    por forma a conhecer as necessidades trmicas deste, para dimensionar uma bomba de calor

    geotrmica para o edifcio e as unidades terminais de climatizao adequadas aos espaos

    simulados.

    O segundo objetivo desta tese foi o estudo do escoamento de ar, neste caso o clculo da

    eficcia de ventilao de espaos climatizados, que utilizem o sistema AdvanClim, uma

    adaptao de um sistema de ventilao por deslocamento puro. Este sistema de ventilao por

    deslocamento distingue-se da ventilao por deslocamento convencional por dois motivos. O

    primeiro tem que ver com a insuflao de ar novo nos espaos; esta feita em altura a partir

    de grelhas, tal como em qualquer sistema de ventilao por mistura ou ventilao cruzada. O

    segundo aspeto diferenciador deste tipo de ventilao por deslocamento o fato de no existir

    extrao de ar mecnica do ar dos espaos. Essa extrao feita por conveco natural,

    sendo necessrio o edifcio estar (ou ser) preparado para tal arquitetonicamente; deve possuir

    corredores ou ductos que favoream a deslocao do ar proveniente dos espaos climatizados

    para o local do edifcio onde se cria o efeito chamin, que os conduzir para o exterior

    (usualmente espaos amplos com p direito elevado). Foram estudados diferentes espaos e

    variaes geomtricas destes para obteno do valor da eficcia de ventilao mais elevado.

    Foi possvel realizar provas de fumo em instalaes j em operao, para obter valores tpicos

    das velocidades e temperaturas do sistema AdvanClime que permitiram validar o modelo de

    simulao.

    A modelao desenvolvida nesta tese teve como propsito determinar a eficcia de

    ventilao, a concentrao de poluentes, as linhas de corrente e a velocidade do ar em

    espaos servidos pelo sistema AdvanClim(ventilao por deslocamento no convencional). Na

    utilizao da tcnica dos gases traadores, o dixido de carbono um dos gases mais

    utilizados, dadas as suas propriedades possvel provar a eficcia de ventilao para qualquer

    poluente a partir deste. Sabe-se que a adequada diluio de um dos poluentes garante a

    efetiva remoo de todos os outros nas mesmas propores. Por esse motivo e dado que a

    anlise efetuada se centrou em edifcios onde a principal fonte de gerao de poluentes so os

    seus ocupantes, foi dada especial ateno ao processo de libertao de CO2.

    Considerou-se nos casos estudados que o ar exterior tem uma boa qualidade ODA 2 e

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    29/238

    3

    pressups-se que qualquer sistema de insuflao de ar novo tem a adequada filtragem, pelo

    que a presena de partculas no interior do espao no deve acontecer. ODAsignifica Outdoor

    Aire a classe 2 a intermdia).

    Apesar de se terem usado nas simulaes de ventilao dos espaos parmetros como a

    temperatura radiante de superfcies e a temperatura do corpo dos ocupantes, este trabalho no

    pretende demonstrar a existncia de conforto trmico para os ocupantes. Apesar disso, so

    dadas algumas indicaes sobre a existncia ou no de conforto aparente, em alguns dos

    casos estudados. A indicao de desconforto aparente pois dada diretamente a partir da

    temperatura do ar e no reflete as sensaes provocadas pelas restantes temperaturas.

    Face aos objetivos impostos para cada uma das componentes desta tese, a segunda parte

    do trabalho desenvolvido teve um maior desenvolvimento, imposto para mais pela

    complexidade do tema e dos muitos cenrios possveis num trabalho desse tipo.

    1.2. Relevncia do estudo

    Num cenrio onde a internacionalizao cada vez mais importante, existe uma grande

    necessidade de criar normas que regulamentem os diversos sectores de atividade e que deem

    garantias de equidade de produtos e servios criados, independentemente da localizao da

    entidade ou instituio. As normas ISO (International Organization for Standardization)

    cumprem um papel muito importante em diversas reas de atividade, contudo, em domnios

    que dependem fortemente da economia mundial e onde o custo da tecnologia pode determinar

    a soluo a implementar necessrio algo mais. A energia um desses domnios. A sua

    utilizao no consensual nem to pouco fcil de gerir. Desde o primeiro choque petrolfero,

    na dcada de 70, que se tenta encontrar a forma tima de gerir a disponibilidade de energia de

    origem fssil no planeta, prolongando por um lado a sua existncia e ao mesmo tempo

    tentando minimizar o impacto do seu consumo e explorao na natureza.

    Os dois grandes responsveis pelo avano tecnolgico nesta rea so os Estados Unidos

    da Amrica (EUA) e a Unio Europeia (EU), contribuindo de diversas formas para a atenuaode um problema de dimenso ainda desconhecida. Sendo Portugal um dos pases membros da

    Unio Europeia tem vindo a adotar as sucessivas medidas na rea da energia, que pretendem

    regular o modo como os pases membros olham para a questo da energia. Uma vez que os

    edifcios na Europa so grandes consumidores de energia, importante desenvolver estudos

    do tipo dos que aqui se apresentam. Mais importante ainda a implementao das solues

    encontradas neste tipo de estudos pelos agentes que tm atuao direta no sector.

    Dois dos documentos que maior impacto tm neste momento, no panorama energtico

    nacional e europeu no mbito dos edifcios, so a Directiva 2009/28/CE e a Directiva2010/31/EU.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    30/238

    4

    A Directiva 2009/28/CE [1] promove a utilizao de energia proveniente de fontes

    renovveis, impondo metas nacionais que garantam o cumprimento das quotas definidas para

    o consumo de energia proveniente de fontes renovveis na comunidade europeia em 2020.

    Esta diretiva reconhece o papel das regras e polticas aplicveis a novas edificaes e

    remodelao das existentes, no que diz respeito a requisitos mnimos de consumo de energia e utilizao de energia de fontes renovveis. O anexo VII desta diretiva estabelece o mtodo

    de Clculo da energia obtida a partir de bombas de calor que ir permitir contabilizar como

    energia renovvel, parte da energia retirada do ar, da gua ou do solo para climatizao de

    edifcios (o Anexo VII da diretiva encontra-se no Anexo I desta tese). Este mtodo carece da

    definio das variveis em questo o que est previsto para 1 de Janeiro de 2013.

    De acordo com a Directiva 2010/31/UE[2] (nova EPBD Energy Performance of Buildings

    Directive), os edifcios na Europa representam 40% do consumo total de energia, continuando

    este valor a crescer. Posto isto, necessrio atuar rapidamente, incentivando a utilizao de

    energia de origem renovvel, minimizando o consumo de energia final e melhorando a

    eficincia dos equipamentos; tudo para que os compromissos assumidos pela Unio Europeia

    no mbito do protocolo de Quioto se venham a cumprir. Espera-se portanto com estas

    medidas, que o sector dos edifcios ajude a reduzir a emisso de gases com efeito de estufa e

    a cumprir o principal objetivo desta diretiva: a melhoria do desempenho energtico dos

    edifcios. Esta diretiva ir: impor limites ao consumo energtico de edifcios novos e de

    edifcios existentes aquando de uma grande reabilitao; definir requisitos mnimos para os

    materiais e os sistemas mecnicos a utilizar neles; pretende aumentar o nmero de edifcios

    com emisses quase nulas (NZEB net zero energy buildings); estabelecer definitivamente omercado de certificao energtica dos edifcios e das fraes autnomas e regularizar a

    inspeo a caldeiras e sistemas de ar condicionado de todos os edifcios. Esta diretiva impor

    limites mnimos mas pretende ser apenas o ponto de partida, deixando para cada estado

    membro a definio das metas a atingir. A alterao da definio de grande edifcio e pequeno

    edifcio, bem como aquilo que se entende como grande remodelao, pretende estender a

    aplicao da diretiva a um maior nmero de edifcios. O mtodo de clculo da rentabilidade de

    um sistema ou edifcios passa a ser mais abrangente, incluindo todos os benefcios e custos

    relacionados com a energia. O limite de tempo para a reviso do desempenho energtico de

    um edifcio ser de 5 anos, menos um que atualmente. Em fase de projeto so incentivados os

    estudos de questes ambientais, tcnicas e econmicas de sistemas alternativos tais como as

    energias renovveis, redes urbanas de distribuio de energia trmica, bombas de calor e

    cogerao. Uma grande alterao em relao primeira verso da EPBD prende-se com os

    edifcios NZEB sendo o objetivo: no final de 2020 todos os edifcios novos serem NZEB. O

    sector pblico (estado) ter de atingir essa meta at ao final de 2018, para todos os novos

    edifcios que ocupe, mesmo que alugados.

    a partir destas duas diretivas europeias que surge a possibilidade de atuar ao nvel do

    consumo de energia dos edifcios. O trabalho desenvolvido no mbito desta tese tem como

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    31/238

    5

    objetivos: na primeira parte, verificar a quantidade de energia trmica necessria para

    climatizar um edifcio e o nvel de satisfao dessas necessidades quando usada uma fonte de

    energia renovvel disponvel no local; na segunda parte, avaliar o desempenho de um sistema

    de ventilao por deslocamento no convencional, quanto sua capacidade de remoo de

    poluentes dos espaos, desempenho esse determinado pela sua eficcia de ventilao. Amaximizao da eficcia de ventilao de um sistema tem o objetivo de reduzir o caudal de ar

    novo regulamentar necessrio, poupando-se energia na sua movimentao.

    Embora o RSECE (Regulamento dos Sistemas Energticos de Climatizao em Edifcios)

    no anexo VII imponha caudais mnimos de ar novo nos espaos [3] e no esteja contemplado o

    no cumprimento destes em determinadas condies, h muito que se vm a desenvolver

    metodologias de controlo da qualidade do ar interior (QAI) que no penalizem o edifcio em

    termos de consumo energtico associado ventilao. Os caudais impostos pelo regulamento

    so deveras penalizadores em algumas tipologias; obrigando introduo de grandes caudais

    de ar, para a ocupao mxima espectvel, o que no corresponde realidade na maior parte

    do tempo em determinados espaos. De fato, essa obrigatoriedade deve-se necessidade de

    garantir a remoo de poluentes gerados no interior dos edifcios, tendo como base a

    concentrao mxima de CO2 admissvel. Sistemas como os apresentados em [4] permitem

    regular a insuflao de ar novo nos edifcios, poupando energia pelo controlo do CO2, feito no

    interior de um espao ou no ar de retorno. Sensores de presena podem ditar os intervalos de

    tempo em que devem ser garantidas as condies de conforto e QAI, reduzindo ainda mais o

    consumo de energia. Assim, o sistema de ventilao s funciona dentro destes intervalos, quer

    seja em modo on/off ou em regime modulante com variao de velocidade dos motores.

    Contudo os sistemas deste tipo so ainda pouco comuns em Portugal. Prev-se no entanto

    que a nova legislao para edifcios venha a permitir medidas mais amigas do ambiente e

    conducentes a consumos energticos menores, no mbito dos edifcios NZEB, desde que

    devidamente comprovadas com estudos tcnicos detalhados. Mtodos de climatizao

    alternativos como a ventilao natural ou a ventilao por deslocamento adaptado so pouco

    controlveis, quando comparados com a ventilao mecnica. ento necessrio comprovar a

    efetiva remoo de poluentes, destes mtodos, do interior dos espaos. Atualmente a nica

    forma de reduzir a quantidade de ar novo insuflado num espao melhorando a eficcia deventilao de um sistema. Sempre que num sistema tenha uma eficcia de 100% no

    necessrio introduzir caudal adicional para compensar a perda de eficcia, caso a eficcia seja

    superior a 100% inclusive possvel reduzir o caudal nessa diferena. Para determinar a

    eficcia de um sistema no convencional ou comprovar a capacidade de remoo de poluentes

    pode-se recorrer modelao CFD, preferencialmente em fase de projeto j que ainda

    possvel efetuar alteraes ao edifcio. A simulao de casos tpicos (geometria do espao,

    caudal insuflado e poluentes provveis) permite utilizar posteriormente um determinado

    sistema de forma controlada, sem necessidade de dispor de sistemas de monitorizao de

    poluentes, que constituem um custo adicional e indesejado para os promotores imobilirios.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    32/238

    6

    1.3. Motivao

    Poder-se- dizer que dois dos problemas que atualmente mais preocupam os engenheiros

    so a energia e o ambiente. Em relao ao primeiro facilmente se percebe que o crescimento

    das chamadas economias emergentes (nenhuma pertencente OCDE Organizao de

    Cooperao e de Desenvolvimento Econmico), lideradas pela China e ndia, est a aumentar

    a procura global de energia final [5]. Vivemos atualmente num cenrio onde o petrleo o

    combustvel com maior peso no mix energtico mundial. Por outro lado o recente desastre

    nuclear no Japo e o crescente aumento do consumo de carvo, no nos deixa otimistas

    quanto preservao do meio ambiente, em relao qualidade do ar exterior e a doenas

    relacionadas com estas atividades.

    A conceo de instalaes AVAC (Aquecimento Ventilao e Ar Condicionado)requer por

    parte dos engenheiros um cuidado especial com vista minimizao do seu impacto sobre os

    ocupantes dos edifcios. Deve ainda haver especial cuidado na manuteno e operao destes

    sistemas [6]. O RSECE [3] faz no Artigo 19 aluso exigncia de um plano de manuteno

    preventiva, devidamente implementado por um tcnico responsvel pelo funcionamento da

    instalao, para que esta possa operar nas devidas condies, ou seja, nas condies

    semelhantes a uma instalao nova, que garanta conforto trmico, QAI e que seja

    energeticamente eficiente.

    A realizao de estudos e projetos na rea da engenharia um campo de aplicao de

    conhecimentos interessante, contudo, a participao em projetos e estudos mais acadmicos e

    com alguma visibilidade, em reas com grande potencial de desenvolvimento e com

    particularidades de conceo sempre aliciante. A publicao de artigos cientficos tambm

    uma forma de manter atualizados os conhecimentos tericos e o que de novo existe em termos

    de tecnologia.

    Assim, com grande prazer pessoal que se apresentam aqui dois produtos finais do

    trabalho desenvolvido: No anexo II desta tese apresenta-se a folha de rosto de um artigo cientfico publicado no

    Renewable Energy and Power Quality Journal, No.9, 12th May 2011 com o n 390,

    realizado em conjunto com outros autores, para uma conferncia sobre energias

    renovveis e qualidade da energia (INTERNATIONAL CONFERENCE ON RENEWABLE

    ENERGIES AND POWER QUALITY (ICREPQ'11). Este era o resultado final do primeiro

    e segundo temas aqui apresentados data da publicao e pode ser consultado online.

    O anexo III desta tese um pequeno manual de utilizao da plataforma de programas

    ANSYS 13 a que se chamou Tutorial ANSYS 13. Pretende permitir uma mais rpida

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    33/238

    7

    inicializao de simulaes de espaos em edifcios de servios climatizados, com vista

    determinao da eficcia de ventilao (utilizando o solver FLUENT) a quem j tem

    alguns conhecimentos deste tipo de ferramentas.

    1.4. Organizao da tese

    O captulo 1 deste documento composto por 4 pontos. O primeiro ponto apresenta os

    objetivos da tese, no segundo ponto explicada a relevncia desta, num terceiro ponto

    apresenta-se o que levou o autor a realiz-la, o quarto ponto (este) apresenta a estrutura de

    todo o documento.

    Para perceber a estrutura dos captulos 2 a 6 necessrio explic-la. Optou-se por uma

    apresentao encadeada dos temas em cada captulo, isto , em cada captulo existem 3

    subcaptulos, correspondendo o nmero de subcaptulo sempre ao mesmo tema. Os nmeros

    1 a 3 correspondem aos seguintes contedos:

    1. Clculo de cargas trmicas;

    2. Estudo geotrmico;

    3. Estudo CFD(eficcia de ventilao).

    Esta configurao foi a escolhida para facilitar a leitura desta tese. O leitor, conhecendo o

    nmero correspondente ao tema de seu interesse, ir em cada captulo dirigir-se diretamente

    ao subcaptulo que contm a informao pretendida.

    O captulo 2 mostra a legislao aplicvel, os fundamentos tericos e a pesquisa efetuada

    em cada uma das reas aqui tratadas. Em relao pesquisa pretende-se que a informao

    aqui apresentada possa pr o leitor a par dos principais desenvolvimentos na respetiva rea.O captulo 3 tem como objetivo descrever algumas das caractersticas do software utilizado

    em cada uma das componentes do trabalho e explicar as formulaes matemticas

    subjacentes a mtodos de clculo, bem como as simplificaes assumidas.

    O captulo 4 descreve detalhadamente os casos de estudo. Pretendeu-se apresentar todo

    e qualquer elemento que tivesse influncia nos resultados, no se referindo portanto

    parmetros que no sofram qualquer alterao em relao aos valores por defeito.

    O captulo 5 apresenta de forma resumida mas clara, com recurso a tabelas e imagens os

    resultados obtidos, por tipo de estudo.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    34/238

    8

    No captulo 6 apresentam-se as concluses finais do trabalho realizado.

    No captulo 7 so descritas algumas melhorias possveis no estudo de casos semelhantes

    e indicam-se alguns objetivos de prossecuo dos trabalhos nos temas apresentados, quer

    para o autor quer para outros. Fazem-se ainda sugestes de atuao em futuros estudos

    similares a estes.

    Propositadamente no se fez uma concluso de cada captulo no final destes. Isto porque

    atendendo estrutura da tese e ao contedo no pareceu adequado ou que isso trouxesse

    alguma mais-valia leitura da tese. As concluses de cada um dos 3 casos estudados

    encontram-se no captulo 6, no respetivo subcaptulo.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    35/238

    9

    Captulo 2 Reviso

    bibliogrficaNeste captulo apresenta-se a reviso bibliogrfica efetuada ao longo deste trabalho. A

    reviso bibliogrfica uma espcie de resumo da informao mais importante pesquisada ao

    longo da tese. A informao presente neste captulo preencheu a necessidade de obter

    respostas sobre os temas abordados, na tentativa de clarificar e fundamentar algumas opes

    a tomar e permitir avanar rapidamente para caminhos que conduzissem aos resultados

    desejados. Dada a complexidade subjacente aos temas tratados e a infinidade de opes

    disponveis no software utilizado, no possvel explor-los at se ter um perfeito

    conhecimento deles; h que procurar estudos j realizados na rea em questo e adapt-los

    ao caso de estudo. Torna-se no entanto necessrio conhecer em pormenor a funcionalidade de

    cada um dos parmetros e a sua aplicabilidade ao caso que temos em mos. Apenas se faz

    referncia bibliografia mais importante no obstante de outra informao ter sido consultada.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    36/238

    10

    2.1. Simulao de cargas trmicas

    A transposio da Directiva Comunitria 2002/91/CE aconteceu em 2006 e desde ento

    que obrigatria a caraterizao do comportamento trmico dos edifcios, a verificao daqualidade do ar interior e a existncia de conforto trmico dos ocupantes.

    Se para a verificao do RCCTE Regulamento das Caractersticas de Comportamento

    Trmico dos Edifcios basta seguir as metodologias de clculo presentes no Decreto-Lei

    n80/2006 [7], j o clculo dos requisitos referidos anteriormente, para edifcios abrangidos pelo

    RSECE Regulamento dos Sistemas Energticos de Climatizao em Edifcios[3], tem de ser

    feito com recurso a programas informticos de simulao multizona, acreditados pela norma

    ASHRAE 140:2004[8].

    O programa EnergyPlusdesenvolvido pelo DOE(Department of Energy)dos EUA cumpre

    todas as imposies da norma ASHRAE 140:2004[8] e um dos programas acreditados para

    a simulao energtica de edifcios de servios pelo SCE Sistema Nacional de Certificao

    Energtica e da Qualidade do Ar Interior nos Edifcios(DL n78/2006) [9] [10].

    O EnergyPlus um programa de anlise energtica e das cargas trmicas de edifcios,

    capaz de verificar a energia primria necessria produo da energia trmica que satisfaa

    as necessidades reais do edifcio e que garantam as condies de conforto impostas. O

    programa permite efetuar vrios clculos por hora (sub-hourly time steps), respeita pois a

    imposio de executar pelo menos um clculo por hora sugerido pela norma prEN 15251[11].Para efetuar os balanos de energia usa funes de transferncia de calor por conduo, que

    permitem a simulao da energia radiante e fenmenos convectivos e utiliza um modelo

    tridimensional de elementos finitos para clculo das trocas de calor com o solo.

    Dada a dificuldade em utilizar o programa, quer a nvel da introduo de dados, quer a

    nvel de leitura dos muitos ficheiros de resultados habitual usar-se um dos muitos interfaces

    grficos existentes no mercado para o EnergyPlus. O interface grfico utilizado no estudo aqui

    apresentado foi o DesignBuilder. Este programa inclui toda a base de dados de envidraados e

    materiais de construo do EnergyPlus.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    37/238

    11

    2.2. Geotermia

    Geotermia a designao atribuda a uma srie de cincias e tcnicas de estudo e

    explorao do calor existente no centro do planeta: a energia geotrmica. A temperatura dosolo aumenta cerca de 33 C por cada quilmetro de profundidade, contudo, devido variao

    da composio da crosta terrestre, por vezes possvel obter temperaturas elevadas a

    profundidades bem menores. Qualquer temperatura existente no solo pode ser usada

    diretamente como energia geotrmica. Habitualmente j existe no solo um fluido que permite a

    troca de calor (lenis freticos ou infiltrao das chuvas) mas caso no exista possvel

    injetar gua no solo (rochas quentes). Existem tambm afloraes naturais de gua quente,

    principalmente em zonas vulcnicas, aproveitadas h largos sculos para fins termais [12] [13].

    A energia geotrmica separa-se em energia de baixa entalpia e de alta entalpia consoanteo fluido esteja a menos ou a mais de 150 C respetivamente. Em Portugal apenas existe

    energia geotrmica de baixa entalpia (abaixo dos 80 C) contudo existem j algumas

    aplicaes diretas da energia geotrmica em climatizao de edifcios e no aquecimento de

    piscinas e estufas [12]. A energia geotrmica uma forma de energia renovvel, disponvel em

    todo o mundo e a qualquer momento (ao contrrio de outras formas de energia renovvel), til

    e proveitosa em qualquer estao do ano [13].

    O solo pode ser usado quer como fonte quer como vazadouro de calor. A maior ou menor

    capacidade de absoro ou entrega de calor do solo depende das suas propriedades

    (condutividade, composio, calor especfico e difusividade trmica). A difusividade trmica do

    solo a razo entre a condutividade trmica e o produto do calor especfico e massa volmica.

    Os furos no solo (BHE Borehole Heat Exchangers) podem ser verticais ou horizontais. Os

    furos verticais representam 80% das aplicaes geotrmicas na Europa e neles podem ser

    usados tubos concntricos (coaxiais) ou em U [13] [14].

    Numa instalao do tipo BTES boreholes thermal energy storage[15], o armazenamento

    de energia feito diretamente no solo, sendo este caracterizado pela existncia de camadas

    rochosas ou por camadas slidas de terra. No existe portanto nenhum fluido natural presente,

    o fluido de permuta de calor ir circular pelo interior de tubos ou no interior de furos.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    38/238

    12

    Figura 2.1 Circuito primrio de um sistema bomba de calor geotrmica, de anel fechado [15]

    No aproveitamento da geotermia para climatizao deve ser conhecida a temperatura do

    solo numa base horria [16]. A temperatura do solo varia ao longo do ano segundo uma funo

    seno cuja evoluo depende da temperatura mdia do ar exterior e da profundidade (h). Com o

    aumento da cota superfcie variam a amplitude e a fase da funo. A amplitude da funo

    decresce com o aumento da profundidade e a inrcia do solo tanto maior quanto maior for a

    profundidade, resultando num atraso do valor da temperatura deste em relao temperatura

    do ar. A temperatura mdia do solo pode ser considerada igual mdia anual da temperatura

    exterior, contudo, para um clculo mais rigoroso esta temperatura dever ser afetada por trs

    parmetros: AH fator de correo da amplitude com base na profundidade; VS - fator decorreo de fase; gm fator de correo relacionado com o material do solo.

    AH calculado da seguinte forma:

    0,000. 0,0. 0,.

    (Eq. 2.1)

    VS calculado da seguinte forma:

    . 0,0. 0,. ,0. 0,. 0,)

    (Eq. 2.2)

    h

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    39/238

    13

    Figura 2.2 Variao da temperatura do solo ao longo do ano (a partir de [16])

    O valor de gmdepende do material constituinte do solo e pode ser retirado da tabela 2.1.

    Tabela 2.1 Valores do parmetro gmpara diferentes solos (a partir de [16])

    Material do solo Condutividade

    [W/m.K]

    Massa volmica

    [kg/m3]

    Calor especfico

    [J/kg.K]

    Fator de correo

    gm

    Solo hmido 1,50 1400 1400 1,00

    Areia seca 0,70 1500 920 0,90

    Areia hmida 1,88 1500 1200 0,98

    Argila hmida 1,45 1800 1340 1,04

    Argila seca 2,90 1800 1590 1,05

    A temperatura do solo (Tg) pode ento ser dada pela equao 2.3, onde a diferena

    entre a temperatura mdia mensal mais elevada (a mdia do ms de Julho se este for o mais

    quente) e a mdia mensal mais baixa (a mdia do ms de Janeiro se este for o mais frio),

    a mdia anual da temperatura exterior e JH a hora para a qual se quer calcular a temperatura

    do solo.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    40/238

    14

    = . . . . + 24,25 (Eq. 2.3)

    As aplicaes geotrmicas para produo de energia trmica para climatizao podem ser

    simples permutadores ou utilizar bombas de calor geotrmicas (GSHP ground source heatpumps). Um sistema bomba de calor geotrmica constitudo por 3 componentes principais

    [17]: os furos geotrmicos (BHE) que tm tipicamente dimetros entre os 90 e os 150 mm [15]

    e entre 30 a 200 metros de profundidade; a bomba de calor (GSHP) tipicamente gua-gua e o

    sistema de distribuio de energia trmica.

    Uma definio de bomba de calor pode ser a que se encontra na nova EPBD[2]:

    Bomba de calor, uma mquina, um dispositivo ou uma instalao que transferem calor

    dos elementos naturais circundantes, como o ar, a gua ou o solo, para os edifcios ou

    processos industriais invertendo o fluxo de calor natural de forma a que este passe de uma

    temperatura mais baixa para uma temperatura mais alta. No caso de bombas de calor

    reversveis, a transferncia de calor pode fazer-se tambm do edifcio para os elementos

    naturais circundantes.

    Uma definio mais lata de bomba de calor poder ser a de um equipamento que transferecalor de uma fonte fria para um reservatrio a temperatura superior; pode no entanto ser

    utilizada para transferir energia da fonte quente para a fonte fria, com melhor desempenho

    neste caso. As bombas de calor tm vindo a ganhar espao nos edifcios de servios e nas

    habitaes, no s para aquecimento e arrefecimento dos edifcios mas tambm para

    produo de AQS (guas quentes sanitrias), aquecimento de piscinas e mesmo para

    processos industriais. Encontram-se bombas de calor no mercado entre 1,75 kW e 44 MW,

    capazes de fornecer fluidos a temperaturas superiores a 100C [14]. Para cada fonte de

    energia deve ser usado um tipo de bomba de calor concebida para o efeito. As fontes podem

    ser to variadas como o ar, gua subterrnea ou superfcie, a energia solar ou o solo. Uma

    tipologia bastante interessante em termos de investimento inicial, facilidade de converso do

    edifcio, custos de operao e controlo de temperaturas no espao so as bombas de calor

    gua-gua ligadas a anis fechados de circulao de gua no solo (GSHP). O tipo mais

    comum de bombas de calor geotrmicas o que usa o ciclo de compresso de vapor (figura

    2.3). Este ciclo pode ter um s estgio, mais que um estgio, ser do tipo cascata ou compound.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    41/238

    15

    Figura 2.3 Esquema de princpio do funcionamento de uma bomba de calor por ciclo de

    compresso de vapor [14]

    A razo pela qual as GSHP tm uma eficincia energtica 30% superior melhor das

    bombas de calor ar-gua deve-se ao facto de ser utilizada gua em vez de ar (esta tem um Cp

    superior ao ar) e ao facto de estas no estarem sujeitas s temperatura extremamente

    elevadas ou baixas como o caso da temperatura do ar exterior no vero e inverno

    respetivamente. O material mais utilizado nos tubos de permuta de calor o PEAD polietileno

    de alta densidadecom dimetros entre os 32 e os 40 mm. A vida til deste material neste tipo

    de aplicao de 50 anos. Em muitos casos suficiente usar-se gua no interior dos tubos do

    circuito primrio, contudo, em situaes em que pode ocorrer congelamento da gua adiciona-se-lhe um anticongelante como o etilenoglicol. Este tipo de GSHPchama-se Ground Coupled.

    Nos casos em que o fluido frigorigneoa percorrer uma serpentina no solo estas so do tipo

    expanso direta. A situao atual a da utilizao de compressores do tipo scroll e do

    refrigerante R410A dadas as melhores propriedades trmicas e melhor comportamento em

    sistemas reversveis [17].

    Como auxiliar ao projeto de instalaes geotrmicas so atualmente efetuados testes de

    resposta trmica do solo (thermal response tests). O mtodo Line Source Theory o mais

    simples e rpido sendo o mais utilizado na Europa. Estes testes so elaborados in sito, com

    recurso a equipamento porttil e tm como principal interesse a determinao da composio

    do solo, a avaliao do desempenho dos diferentes tipos de permutadores existentes e as

    caractersticas reais do solo, tais como a condutividade e a conveco existente em furos

    permeveis gua ou na proximidade de lenis freticos [15].

    Em [18] foi demonstrado o potencial de aplicabilidade das bombas de calor geotrmicas

    (projeto europeu GROUNDHIT Ground Coupled Heat Pumps of High Technology). Esta forma

    de troca de calor com o solo no tem virtualmente limite e beneficia da estabilidade quase total

    da temperatura do solo ao longo do ano. Conseguem-se assim performances sazonais

    indiscutivelmente mais apelativas que as dos sistemas bomba de calor tradicionais (a partir de

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    42/238

    16

    fontes como o ar). O custo de perfurao do solo elevado sendo o principal entrave

    utilizao deste tipo de sistema de climatizao. Foram efetuados testes de resposta trmica

    do solo (thermal response tests) instalao, em modo de aquecimento, de acordo com o

    mtodo Line Source Theory, com durao mnima de 30 horas. A curta durao de alguns dos

    testes foi possvel devido rpida estabilizao das temperaturas ( 15 hora). O equipamentode produo de calor utilizado no era especfico para o efeito (conceo prpria) tendo sido

    necessrias algumas adaptaes, at se conseguirem estabilizar a temperatura e o caudal de

    gua. O CoP (Coefficient of Performance) mximo atingido foi de 6,05 com uma taxa de

    produo de energia trmica em aquecimento de 12,11 kW. Os resultados demonstraram

    qualitativamente que a configurao de permutadores em duplo U a que tem melhor

    desempenho.

    O projeto GROUND-REACH, financiado pela Intelligent Energy Europe e com o contrato n

    EIE/05/105S12.420205 teve como propsito introduzir no mercado bombas de calor

    geotrmicas de grande dimenso para ajudar a combater a emisso de gases com efeito de

    estufa e dinamizar o mercado das GSHP. As caratersticas apontadas como vantagens deste

    sistema eram a fiabilidade da tecnologia e o seu estado de maturao, a reduo de 25% a

    75% dos custos de climatizao, a reduo das emisses de CO2, o aumento do conforto e

    consequente valorizao do imvel, a promoo da sustentabilidade ambiental e a utilizao

    racional de energia [17].

    A norma EN 15450:2007pode ser utilizada como garantia do cumprimento dos requisitos

    mnimos, no projeto de um sistema GSHP completo. No existe ainda nenhuma norma

    europeia para a parte geotrmica propriamente dita do sistema, somente algumas

    especificaes tcnicas nacionais nos pases mais desenvolvidos neste campo [13] [19]. A

    norma EN 791:1996foi j adotada por todos os pases membros da UE mas destina-se apenas

    a assegurar a segurana na perfurao do solo e no manuseamento da maquinaria utilizada

    com esse propsito. Para geotermia a grandes profundidades deve ser consultada legislao

    aplicvel atividade de prospeo de petrleo, nomeadamente a legislao americana ( API

    American Petroleum Institute). No que respeita s bombas de calor o caso diferente, existe

    todo um conjunto de normas aplicveis cobrindo todas as vertentes destes equipamentos.

    As dificuldades de harmonizao da utilizao desta forma de energia renovvel devem-seao facto de o clima e s propriedades do solo variarem por toda a Europa. Dever-se- no futuro

    caminhar para uma situao em que, seja possvel em qualquer parte da Europa, determinar a

    melhor configurao do sistema, atendendo s caractersticas e propriedades dos furos, dos

    materiais e dos tipos de bomba de calor utilizada. Em questes de licenciamento tambm

    necessrio definir procedimentos que tornem clara a atuao de todos os intervenientes na

    implementao de um sistema de climatizao deste tipo e que d garantias de qualidade ao

    cliente, mediante a certificao do servio.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    43/238

    17

    2.3. Ventilao por deslocamento

    2.3.1. Normas e procedimentos

    O RSECE [3] refere no ponto 6 do 29 artigo que Os caudais de ar novo de renovao ()

    referem-se a valores efectivamente introduzidos nos espaos ocupados, devendo o

    dimensionamento dos sistemas ter em conta a eficincia til de ventilao introduzida. A

    atuao sobre um sistema de ventilao, para que este tenha a eficincia mxima, levar a

    poupanas energticas significativas (superiores a 20%), sendo no entanto necessrio garantir

    que este continua a cumprir as exigncias de remoo de poluentes. Realizar testes de QAI

    aps instalao do sistema pode revelar uma desadequao deste e tem normalmente custoselevados associados. O recurso a ferramentas de CFD, em fase de projeto, permite a

    simulao de diferentes opes (estudos paramtricos) e a seleo da mais interessante, tanto

    econmica como tecnicamente.

    Procura-se detalhar aqui em particular, o mtodo de difuso de ar que consiste no

    varrimento do espao, a ventilao por deslocamento, embora o sistema testado seja uma

    variante deste. O sistema de climatizao AdvanClim propriedade da empresa Hemera

    Energy e carateriza-se pela utilizao de uma cobertura solar para aquecimento de gua

    (funcionamento equiparado a um coletor solar trmico aberto) e arrefecimento de gua(funcionamento equiparado a uma torre de arrefecimento). A insuflao de ar feita por

    condutas mas no existe extrao mecnica. A ventilao deste sistema no por

    deslocamento uma vez que o ar insuflado por cima, contudo o seu funcionamento estar

    entre um sistema de ventilao por mistura e a ventilao por deslocamento.

    Uma vez que a maior parte da nossa vida passada no interior de edifcios, surge a

    necessidade de controlar a nossa exposio a poluentes existentes ou gerados no interior

    destes. A medio da qualidade do ar interior (QAI) pode ser feita de duas formas [6]: atravs

    da mdia num intervalo de tempo definido ou atravs da determinao do mximo instantneo.

    A inalao a principal forma de contgio pelos poluentes gasosos presentes no ar sendo

    que as consequncias desse contacto dependem do tipo de poluente, das caractersticas do

    indivduo exposto e do tempo de exposio. Dado que a maioria dos poluentes presentes no

    interior de um edifcio, so solveis no ar ou transportveis por este, o risco dos poluentes

    chegarem aos pulmes real. H alguns anos a soluo era vedar completamente a entrada

    de ar do exterior nos edifcios, contudo, uma vez que a maioria dos poluentes gasosos se

    formam no interior destes, atualmente opta-se pelo mtodo de diluio de poluentes com

    recurso ventilao (qualquer que seja o tipo). Os poluentes podem ser introduzidos no

    edifcio por estarem presentes no ar exterior insuflado ou serem libertados no interior do

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    44/238

    18

    edifcio pelos ocupantes, pelo mobilirio, pelos materiais de revestimento ou equipamentos

    eletrnicos.

    habitual verem-se na literatura valores bastante dspares para um mesmo parmetro de

    avaliao da QAI. Tal acontece em virtude de a definio de um determinado parmetro variar

    de um pas para outro, ou entre diferentes regies do globo [20].

    O Manual REHVA sobre a eficcia de ventilao [21] expe as diferentes abordagens para

    aferio da qualidade do ar interior e os diferentes conceitos. A REHVA a Federao

    Europeia das Associaes do Aquecimento, Ventilao e Ar Condicionado (equivalente

    ASHRAE American Society of Heat Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). H uma

    variao substancial de valores, resultante do significado dos conceitos das normas

    americanas em relao s normas alems, dos pases nrdicos e da AIVC Air Infiltration and

    Ventilation Centre. A idade mdia local do ar no mais que um dado estatstico, mas podeser entendida como a qualidade do ar num dado ponto [22]. Em espaos com ventilao pormistura (perfeita) este valor igual em todo o espao (valor mdio). Na extrao, a idade

    mdia do ar igual constante de tempo (em horas) dada pelo quociente do volume doespao V, pelo caudal ventilado (equao 2.4).

    = (Eq. 2.4)

    Genericamente pretende-se com qualquer sistema de ventilao garantir concentraes

    mdias constantes de poluentes no espao ao invs de limitar a concentrao a valores de

    pico mximos. A avaliao da performance de um sistema de ventilao apenas pode ser feita

    em condies estacionrias, desde que este garanta um valor constante durante todo o

    perodo de ocupao do espao; isto deve-se no linearidade da resposta de um sistema a

    variaes instantneas de gerao de poluentes ou alterao do caudal fornecido [22]. A

    recolha de amostras de poluentes gasosos deve ser feita de duas a trs horas aps o incio da

    ocupao, momento em que se espera que o sistema esteja a funcionar em regime

    estacionrio (concentrao estabilizada) [23].

    O tempo de renovao de ar num espao igual ao dobro da idade mdia do ar. Existem 4

    parmetros principais para a quantificao da qualidade da ventilao; os chamados ndices de

    avaliao da ventilao. Estes podem-se dividir em duas categorias [21]:

    i) ndices que representam a capacidade do sistema em renovar o ar interior:

    a) Eficincia de renovao de ar;

    b) ndice local de renovao de ar.

  • 7/17/2019 Tese Mestrado Nelson Tavares 2011

    45/238

    19

    ii) ndices que representam a capacidade do sistema em remover contaminantes do ar:

    a) Eficcia de remoo de contaminantes;

    b) ndice de qualidade local do ar.

    Na primeira categoria, a eficincia de renovao de ar (a) a razo entre a velocidade de

    renovao de todo o ar de um espao e a taxa terica mxima, conseguida com uma

    renovao de ar tipo tampo. Este parmetro varia entre 0% e 100%. O ndice local de

    renovao de ar (ap) pode assumir valores pequenos ou grandes, dependendo da idade mdia

    local do ar.

    Na segunda categoria, a eficcia de remoo de contaminantes (CRE) a razo entre a

    concentrao na extrao e a concentrao mdia no espao em regime estacionrio. Aparece

    descrita em alguns estudos como eficcia de ventilao e pode ser o dobro da eficincia de

    renovao de ar caso a gerao de poluentes seja uniforme. O ndice de quali