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Concepção e Automatização de Sistemas Passivos e Activos para uma Escola Net Zero Energy Building

Artur Ribeiro 1, João Ramos 2 e José Baptista 3

1Instituto Nacional de Engenharia, Sistemas e Computadores de Coimbra, INESCC, Coimbra, Portugal.

2Deptº Engenharia do Ambiente, Instituto Politécnico de Leiria, Leiria, Portugal. 3Deptº Engenharia, Univ. de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real, Portugal.

E-mail: artur.ribeiro.eng@sapo.pt

Resumo O enquadramento bioclimático e disposição dos espaços favoreceu a integração de cada um dos sistemas passivos e activos, do novo edifício escolar em estudo. A utilização de técnicas passivas em edifícios escolares, das quais se destaca a incorporação de energias renováveis, complementadas por técnicas activas, confere a esses edifícios, um elevado potencial de auto-sustentabilidade [1]. A sua automatização através de gestão técnica centralizada, com a integração de actuadores com perspectivas inovadoras nos sistemas de ventilação natural e de sistemas de produção de energia renovável numa Escola, torna possível a classificação desses edifícios como NZEB (Net Zero Energy Building) [2], a qual se traduz pelo saldo anual entre a procura e oferta energética no edifício igual a zero e “Zero” Carbono. Deu-se particular atenção às componentes da iluminação natural e sua articulação com a minimização da iluminação artificial, bem como sistemas de arrefecimento ou aquecimento através de ventilação por permutador de calor ar-solo, colector de ar, efeito cruzado ou efeito chaminé, garantindo uma excelente qualidade do ar e conforto interior. A integração de sistemas auxiliares nos processos de aquecimento ambiente (AQP), águas quentes sanitárias (AQS) e arrefecimento, visam garantir, em situações limite extraordinárias, onde a componente passiva não consiga suprir as necessidades, que sejam mantidos os parâmetros para um funcionamento eficiente. A qualidade da energia disponível no edifício NZEB é de extrema importância para que no contexto global aquele tenha uma elevada eficiência energética. Tendo em atenção estes aspectos foi implementada no QG, uma bateria de condensadores automática anti-harmónicas, contribuindo também para uma redução da factura energética. Palavras chave: Eficiência energética, iluminação natural, ventilação natural, permutador de calor ar-solo, colector de ar, ventilação cruzada, efeito chaminé, sistemas activos, sistemas passivos, gestão técnica centralizada, Solar térmico, solar fotovoltaico, PV, CO2 e NZEB. Implementação No presente trabalho efectuou-se o estudo da implantação de um novo edifício escolar na localidade de Alcobaça, em Portugal. Fez-se um

balanço energético do edifício utilizando técnicas passivas, das quais se destaca a incorporação de energias renováveis, complementadas por técnicas activas e gestão técnica centralizada, analisando-se

Figura 1: Esquema de vegetação em perfil para protecção dos ventos dominantes

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assim, o potencial de auto-sustentabilidade do edifício [1]. A análise da acção do vento é preponderante para a caracterização da ventilação natural. Utilizou-se, nesse sentido os valores recolhidos na estação meteorológica de Alcobaça [3]. Para definição da protecção aos ventos dominantes e diminuição da temperatura radiante foi utilizada vegetação de folha persistente, formando uma sebe viva, conforme esquema da Figura 1. A Tuia, da família das Cupressaceas, possui um alto débito de evapotranspiração, a qual regulariza e equilibra as condições climáticas extremas, criando um microclima. Foi a espécie nativa escolhida, devido à baixa porosidade conseguida na implementação de uma sebe viva, diminuindo a velocidade do vento até 90% [4] [5] [6]. O edifício tem como espaço principal, uma zona com salas de aula, com 56 m2 cada. Aí existe um sistema de ventilação natural, composto por um colector de ar na fachada com quatro aberturas (registos de fachada automatizados) em cada secção de sala de aula, duas no nível inferior a 20 cm do pavimento e duas no nível superior a 50 cm do tecto falso. O colector, esquematizado na Figura 2, é ainda composto por 6 módulos PV, montados sobre uma estrutura em alumínio, dispostos no sentido N-S, distanciados de 10 cm da parede. Os registos de fachada aqui implementados foram desenvolvidos por [7], no edifício Solar XXI, tendo neste edifício apenas actuação manual, deixando ao critério dos utilizadores a sua manipulação. Neste estudo automatizou-se o funcionamento dos registos, através de dois actuadores, um linear e outro rotacional, em cada registo, optimizando a sua utilização. Para se efectuar a ventilação cruzada foi colocada uma bandeira de lamelas de vidro orientáveis sobre a porta de cada sala de aula, as quais são abertas ou fechadas em função da temperatura, humidade e qualidade do ar interior, em comparação com a temperatura e humidade exterior, medidas por sensores aí instalados. O efeito da ventilação cruzada pode ser complementado com o efeito de chaminé, utilizando os corredores de circulação adjacentes, os quais têm um ducto que os interliga na vertical em todo o comprimento e formando uma

saliência na cobertura, na qual são implantadas as grelhas de ventilação na sua face Sul (Figura 3). A colocação de um revestimento nos últimos 2 m do ducto, em chapa de alumínio polido, permite elevar a temperatura nessa zona, potencializando o efeito de chaminé. É ainda incorporado um permutador de calor ar-solo que utiliza manilhas de betão enterradas à

Figura 2: Registos de fachada em colector de ar PV em

corte

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profundidade de 3 m. Este possibilita a introdução de ar novo na sala de aula para aquecimento ou arrefecimento, conforme a estação do ano, uma vez que as condições de temperatura ao nível do solo são praticamente constantes. Obtêm-se daí vantagens evidentes tanto para o processo de aquecimento como de arrefecimento, sendo controlado por actuadores sobre registo de condutas circulares de ventilação. A difusão é efectuada por um ventilador, montado axialmente numa conduta metálica circular, com eixo a 65 cm acima do pavimento (Figura 4), servindo unicamente como meio complementar para assegurar a qualidade do ar interior, nas situações de inexistência de vento no exterior ou quando o nível de CO2, estiver para atingir os valores limites regulamentares [8]. Toda esta manipulação é efectuada automaticamente pela gestão técnica centralizada,

sendo unicamente permitido aos utilizadores modificarem alguns parâmetros durante um curto período de tempo, fim do qual a gestão assume o controlo. O sistema solar térmico projectado é composto por colectores interligados pela rede de tubagem primária, na cobertura. Este é composto por colectores parabólicos compostos (CPC) [9], com uma área de 1,99m2, dispostos segundo a orientação E-W em suporte metálico de montagem em cobertura plana e com uma inclinação de 60º, de modo a obter o máximo rendimento para o período de Inverno e minimizar os ganhos nos meses de Julho e Agosto. Neste período as necessidades de água quente são praticamente nulas. Os 64 colectores serão alinhados com o azimute Sul, em paralelo de canais, formando baterias de 4, com uma interdistância mínima de 2,5m, para que no dia mais desfavorável, 21 de Dezembro, às 12horas, nenhuma área do colector esteja com sombreamento. Este sistema será a fonte principal de aquecimento ambiente e AQS do edifício. No aquecimento foram utilizados dois sistemas distintos, piso radiante na zona das salas de aula e termoventilação com baterias de água quente na zona de serviços e ginásio do piso 2. Esta termoventilação é executada em dois patamares. A primeira na unidade de tratamento de ar novo (UTAN) [10], ao nível da cobertura, onde se efectua um pré-aquecimento para uma temperatura de 18ºC. A segunda com pós-aquecimento em espaços de controlo individual, onde se permite um salto de +3ºC. Esta medida, por si só gera economia no consumo energético associado ao funcionamento da UTAN, bem como a utilização de baterias de água quente, cuja energia térmica provem primordialmente do sistema solar térmico, torna o sistema de aquecimento extremamente económico. O apoio às AQS e AQP é efectuado, num primeiro nível em funcionamento de tarifa bi-horária, por uma resistência eléctrica de 9kW em cada um dos 3 depósitos, e no último nível uma caldeira de condensação com potência de 85 kW e rendimento de combustão de 109% [11], ligada ao depósito de AQS, na parte superior do mesmo e directamente à saída para o aquecimento, no primário do separador

Figura 3: Sistema integrado de ventilação e iluminação natural com sistemas de fachada PV em colector de ar e

permutador de calor ar-solo.

Figura 4: Pormenor com vista frontal (esq.) e corte (dir.), do ducto e difusão de ar do sistema de permutador

ar-solo no piso 0

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hidráulico [12]. Este evita interferências entre circuitos pelo funcionamento dos circuladores, tornando-os independentes, pois o diferencial de pressão entre colectores de ida e retorno é praticamente nulo. O sistema de arrefecimento activo prevê-se de utilização esporádica e destina-se às zonas do piso 2 e auditório no piso 1. É conseguido pela instalação de uma bateria de água fria [13] na UTAN, a qual é alimentada por um chiller de compressor com bomba simples, vaso de expansão e depósito de inércia [14]. Esta termoventilação é executada em dois patamares, o primeiro na unidade de tratamento de ar novo (UTAN), onde se efectua um arrefecimento para uma temperatura de 23ºC e o segundo, com pós-aquecimento em espaços de controlo individual, onde se permite um salto de +3ºC. A potência de arrefecimento do chiller é de 22,5kW, com uma potência absorvida de 8,74kW e um EER de 2,57 [14]. Nos ganhos passivos brutos, podem ser contabilizados todos os sistemas passivos capazes de contribuir para as necessidades de aquecimento. Neste caso foram considerados como possíveis de

contribuição, os ganhos solares térmicos introduzidos nos sistemas de aquecimento, piso radiante e termoventilação, ganhos brutos do permutador de calor ar-solo e ganhos pelo colector de ar na fachada. A protecção solar dos envidraçados é conseguida pela utilização de estores exteriores com lamelas orientáveis [15], permitindo a modulação da luz natural para o interior sem criação de encandeamento, minimizando os ganhos solares no verão, através do seu factor g=0,09, quando na posição de fechado. Na simulação PV foi utilizando o programa de cálculo, “Sunny Design” [16], disponibilizado pelo fabricante do inversor, a SMA, na localização de Lisboa, local mais perto existente na base de dados (Figura 8). Para este sistema foram utilizados dois tipos de montagem, um em colector de ar na fachada, com uma inclinação de 90º e outro sobre a cobertura do ginásio, onde cada linha tem uma interdistância de 2,5m e uma inclinação de 30º. Nesta última tipologia aproveitou-se a disposição zenital da cobertura, para na face Sul se efectuar a

Figura 5: Esquema solar térmico.

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montagem PV e na face Norte a introdução de iluminação natural a esse espaço. A qualidade da energia disponível no edifício NZEB é de extrema importância para que no contexto global aquele tenha uma elevada eficiência energética. Foram seleccionados equipamentos eléctricos de elevada eficiência na concepção de um edifício escolar, tendo sido dada particular atenção à UPS, utilizando uma unidade “On-Line” de dupla conversão com “Super Eco Mode” [17], variadores de velocidade dos motores das unidades de AVAC e Elevador, com estes a terem a classe EFF1 de eficiência energética em motores [18]. Assim o grau de tolerância às harmónicas num sistema de alimentação depende da susceptibilidade da carga. Tendo em atenção estes aspectos foi implementada no QG, uma bateria de condensadores automática anti-harmónicas de 50kVAr, que em três patamares injecta de forma progressiva, energia reactiva na rede, para que o sistema tenha um cosϕ próximo de 1 e elimina as harmónicas através de filtros. Este sistema é de compensação passiva e a sua escolha deveu-se, por um lado à tipologia da instalação não necessitar de um equipamento sofisticado para a compensação do factor de potência, tal como o existente em compensadores activos, por outro, a sua escolha deveu-se às menores perdas do sistema passivo comparativamente com um activo, as quais são respectivamente de 15W e 2100W. [19] [20]

Resultados O funcionamento do sistema de permuta será controlado pela gestão técnica centralizada, segundo critérios que evitem um sobre-aquecimento ou sobre-arrefecimento no interior do espaço servido, mediante as necessidades actuais. Tirando partido da amplitude térmica entre o exterior e o solo à profundidade de enterramento da tubagem, que em média ronda os 10ºC, o fluxo de ar fresco introduzido no interior do edifício pelo permutador de calor ar-solo, e a sua difusão por efeito térmico com arrastamento por ventilação cruzada para o ducto no corredor ou colector de ar na fachada, cria as condições de conforto interiores, sem necessidade de utilização de sistemas mecânicos de arrefecimento.

Na simulação da iluminação natural e integração com a iluminação artificial, foi utilizado o programa de cálculo “Dialux” [21] e efectuada a avaliação de energia segundo a EN 15193 [22]. Além do cálculo luminotécnico onde se determinou o posicionamento das luminárias de modo a se conseguir um nível médio de lux, correspondente a cada tipologia de espaço e sua utilização, foi avaliada a energia dos sistemas intervenientes, a qual é obtida pela ponderação das horas de utilização diurnas e nocturnas anuais, conjugadas com os factores de regulação, manutenção, presença, ausência, eficiência, abastecimento de luz do dia, controlo da luz artificial e transmissão luminosa dos envidraçados [23] [24]. A regulação “Daylight” [25] [26] [27], que foi implementada nas salas de aula, irá permitir um ajuste automático na iluminação artificial, maximizando a componente natural através da interacção do controlo solar nos estores de lamelas de lâminas orientáveis [15], nos dois primeiros espaços. Na Figura 6, apresentam-se os resultados obtidos pelo cálculo no programa “Dialux” [21], numa sala de aula tipo. Os valores correspondem a uma utilização a 100% de iluminação natural e a uma utilização da iluminação artificial a 100%, complementada pela iluminação natural. Se considerarmos isoladamente os valores energéticos

Figura 6: Resultados do cenário 1 – 100% iluminação artificial e cenário 2 – 100% iluminação

natural [21]

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calculados pela avaliação energética do programa “Dialux”, pelas áreas iluminadas e não iluminadas, temos respectivamente, 139,62kWh/ano e 180,99kWh/ano, com o LENI [22] respectivo a ser de 3,93kWh/ano.m2 e 9,08kWh/ano.m2, sendo as áreas de cálculo, respectivamente de 35,51m2 e 19,93m2, para cada sala de aula. O LENI [22] global é de 5,78 kWh/ano.m2, muitíssimo inferior ao limite de 38,1 kWh/ano estabelecido para esta tipologia. Com a disposição final da cobertura, conseguiu-se que a iluminação natural do ginásio fica-se com uma melhor uniformidade.

E além disso, fosse possível a disposição de módulos na superfície orientada a Sul, com uma inclinação ideal de 30º, sem obstruções (Figura 7). Estes módulos além da componente electroprodutora, favorecem ainda o edifício, na componente térmica, pois com um U menor, existe uma consequente redução das perdas térmicas pela cobertura. Esta solução é também mais vantajosa, pelo aumento da produtividade energética e também pela diminuição das perdas nos inversores, que se traduziu numa produção energética global de 84372 kWh/ano. O cálculo do RSECE [28] na tipologia monozona, baseou-se no método simplificado do factor global de conversão, tendo para isso sido estimadas as horas de funcionamento de cada equipamento a instalar no edifício, onde com as respectivas potências, foi determinado consumo energético anual, convertidas para energia primária. Neste cálculo obtiveram-se os valores de Cei=-0,01

(kgep/m2.ano) e um IEE=-0,01. A previsão do consumo de energia para os restantes equipamentos foi efectuada através da elaboração de um padrão de funcionamento de equipamentos (climatização, tomadas e equipamentos diversos), numa base anual em folha de cálculo, onde se prevê por sectores o respectivo consumo energético. Essa previsão em projecto é de importância extrema e de grande dificuldade para, como é o caso, se atingir o objectivo de ter um edifício com a classificação NZEB [2].

Conclusões No presente trabalho efectua-se o estudo da implantação de um novo edifício escolar na localidade de Alcobaça, em Portugal. Fez-se um balanço energético do edifício utilizando técnicas passivas, das quais se destaca a incorporação de energias renováveis, complementadas por técnicas activas e gestão técnica centralizada, analisando-se, assim, o potencial de auto-sustentabilidade do edifício. A utilização do permutador de calor ar-solo tanto para o processo de aquecimento como de arrefecimento, o qual é controlado por actuadores sobre registo de condutas circulares de ventilação, não permite substituir um sistema de climatização de ar convencional, mas pode fornecer a maioria da energia de aquecimento ou arrefecimento da zona principal do edifício. A chaminé solar é um sistema extremamente útil, ainda mais quando aplicada na

Figura 7: Configuração da cobertura PV do ginásio

Figura 8: Resultado inicial da simulação do sistema PV na fachada pelo Sunny Design da SMA [16]

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face Norte dos espaços de maior utilização, nomeadamente as salas de aula. Esta consegue satisfazer tanto os processos de ventilação como os de iluminação natural. No sistema de ventilação, principalmente no arrefecimento, esse efeito substitui com eficácia a aplicação de sistemas activos. O sistema de piso radiante presente nos pisos 0 e 1, foi escolhido, por funcionar com um sistema de baixas temperaturas. Só assim é possível a integração com a produção de energia pelo sistema solar térmico, a custos rentáveis, além de que numa situação de necessidade de apoio pela caldeira o seu consumo também será menor, pois não necessita de atingir uma temperatura tão elevada. A termoventilação foi considerada unicamente para o piso 2, face à tipologia de utilização com necessidades de ventilação superiores aos pisos 0 e 1. O sistema de pré e pós tratamento do ar, tanto no aquecimento como no arrefecimento, mostrou ser uma medida eficiente de gestão dos recursos existentes face às previsíveis reduzidas necessidades térmicas nesse piso. A qualidade da energia na rede do edifico foi também uma preocupação desde início deste estudo. Para tal, foi introduzido a montante uma bateria de condensadores automática cujo objectivo é garantir um factor de potência igual a 1. Neste campo, também se conseguiu que a UPS seleccionada, fornecesse à rede socorrida energia com um factor de potência igual a 1. A redução de produção eléctrica, resultante do sistema fotovoltaico ter sido instalado na vertical nas fachadas foi contrabalançada, em termos energéticos, com a melhoria dos ganhos térmicos internos das salas de aula, através do colector de ar associado a essas estruturas na fachada. A utilização de equipamentos com elevada eficiência, conjugada com a utilização de técnicas passivas de aquecimento e arrefecimento, controladas pela gestão técnica centralizada, foram fulcrais para a concretização da classificação NZEB [2]. Conseguiu-se uma produção eléctrica global superior aos consumos do edifício. A 1ª lei da termodinâmica, designada como “Princípio da Conservação de Energia” e a lei de Lavoisier, têm uma relação intrínseca. O que se

verifica neste estudo, conseguindo-se a classificação NZEB [2] para o edifício escolar, é a demonstração prática da aplicação, “Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, solução que cada vez mais devemos e teremos de prosseguir para um Mundo Sustentável.

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com Incorporação de Energias Renováveis (Dissertação de Mestrado); UTAD; Vila Real; 2008;

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[4] Brandle, James R.; Zhou, Xinhua; Hodges, Laurie; How windbreaks work - EC1763; University of Nebraska; Lincoln; 2005;

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