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Monitoring and analyzing the performance of a public building with "Zero Energy". Continuity of the Interreg Project "Improvement"

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O objetivo deste trabalho, na continuidade do projeto Interreg SUDOE IMPROVEMNET. Realizado num edifício C localizado no campus do Lumiar do IAPMEI. Esta área que anteriormente tal como o restante edifício apresentava uma baixa eficiência energética, baixos níveis de conforto térmico e um alto consumo de energia foi sujeita a um projeto que visou desenvolver um projeto de integração de um sistema de monitorização inteligente com um sistema de trigeração com base de produção renovável, capaz de colmatar as necessidades de conforto, mas mantendo um nível de eficiência energética alto, com o proposto de atingir os padrões de um edifico com necessidades energéticas nulas (NZEB) estabelecidos pela União Europeia, e posteriormente redigidos na lei portuguesa. A zona renovada pelo projeto é composta por 2 escritórios, uma sala de conferências grande, uma sala de reuniões pequena e um corredor que conecta estas divisões entre si e o átrio do restante edifício C. Esta zona no qual o projeto IMPROVMENT incidiu é denominada de zona piloto. O projeto incidiu principalmente em 3 componentes principais: componente elétrica, térmica e de conforto. Na componente elétrica a instalação de sistemas de produção de energia renovável, como os painéis solares de 5 kWp e uma turbina eólica de 2.5 kW, são as principais medidas desta componente. Um sistema de armazenamento de 24 baterias de ácido-chumbo com capacidade de 32 kWh gera e armazena a energia de fonte renovável para alturas de maior consumo e menor produção. O sistema de produção renovável está conectado aos respetivos inversores, que conectam a um inversor bidirecional de 6 kW, que estabelece a ligação entre a produção, o sistema de armazenamento, a rede interna da zona piloto e a rede pública de eletricidade. Toda a área piloto recebeu nova instalação elétrica e circuitos de proteção, criando uma ilha de energia elétrica. Nesta nova instalação houve a preocupação de criar segmentos individualizados para alimentação de tomadas elétricas, ventiladores, iluminação, permitindo um melhor controlo das diversas cargas existentes. Esta nova topologia permitiu criar uma micro-rede capaz de funcionar em modo on-grid (ligada à rede pública) ou em modo off-grid (isolada da rede pública) alimentada exclusivamente por recursos renováveis. Para otimizar o uso da energia elétrica e evitar que os limites máximos de fornecimento sejam ultrapassados, foram implementados diversos circuitos elétricos para tomadas tipo schuko e iluminação em diferentes salas. As tomadas estão divididas em grupos de cores distintas, classificadas como prioritárias e não prioritárias. Caso seja identificado um consumo superior ao valor estabelecido para um determinado grupo, as tomadas não prioritárias serão desligadas automaticamente. Quando o consumo voltar a níveis aceitáveis, a energia será restabelecida para essas tomadas. Se o consumo total da área piloto se aproximar do limite máximo e o nível de armazenamento de energia estiver baixo (com um estado de carga (SoC) das baterias inferior a 60%), determinados circuitos, como as tomadas não prioritárias de maior consumo, o ar condicionado e/ou a iluminação, serão desligados automaticamente e de forma sequencial. Essa medida garante que o limite máximo de fornecimento de energia não seja ultrapassado, promovendo um uso mais racional e eficiente da eletricidade. O sistema de produção de energia térmica é constituído por uma bomba de calor ar/água de elevada eficiência e potência térmica de 14,5 kW, para aquecimento ou arrefecimento ambiente, assistida por energia solar, através de coletores solares de tubos de vácuo com área de abertura de 4,8 m2 e um acumulador térmico de 300 L que transfere energia térmica para um acumulador de inércia de 1000 L de água. Toda a climatização da área piloto é feita através de um anel de água fechado que percorre todos os ventiloconvetores da zona piloto fornecendo água quente ou fria consoante a estação do ano (verão ou inverno) e assim manter o espaço a uma temperatura agradável. O projeto térmico conta ainda com um segundo sistema solar composto por coletores híbridos PV-T, com área de abertura de 4,2 m2 e acumulador térmico de 300 L, para preparação de água quente no edifício. O circuito térmico é apoiado por uma bomba de calor ar-água para produção de calor e frio necessários à climatização de todo o espaço. De forma a mitigar o consumo de energia elétrica necessária à bomba de calor, optou-se pela instalação de um acumulador de água com a finalidade de funcionar como acumulador inercial de aquecimento ou arrefecimento dependendo da estação do ano. Assim, o circuito térmico dispõe de dois modos de funcionamento, o modo direto em que a água circula diretamente entre a bomba de calor e o circuito dos ventiloconvetores, e um modo económico, em que a água circula pelos ventiloconvetores a partir do acumulador de inércia 1000L. Sempre que a temperatura do acumulador de inércia se desviar da temperatura desejada, a bomba de calor trabalhará para restaurar a mesma. Os resultados da monitorização permitiram constatar que o modo económico não tem vantagens durante o período de verão, quando será necessário manter a água arrefecida no acumulador à temperatura de 15 graus celsius. Durante o período de inverno, o acumulador inverte a sua função e irá manter a água do seu interior a 40 graus Celsius para fornecer o calor através do anel de água aos ventiloconvetores instalados na área piloto. A assistência de energia solar da bomba de calor, consiste num sistema solar de circulação forçada cujo circuito primário liga dois coletores com tubos de vácuo e um depósito de 300L, circuito solar térmico em circuito fechado no qual é aquecido um acumulador água de 300L de fonte renovável. Quando a temperatura deste acumulador é superior à do acumulador de inércia, abre-se a circulação de água para este último, tentando mantê-la na temperatura desejada e assim reduzir o tempo de funcionamento da bomba de calor, atenuando os picos de consumo e reduzindo os custos de eletricidade. Estes dois modos podem ser escolhidos através de uma operação muito simples de realizar. Para além da instalação de sistemas de monitorização, climatização e produção renovável, houve também intervenção na estrutura física do edifício. O resultado deste projeto resultou na criação de uma zonapiloto, que serve como uma área de estudo capaz de servir de modelo para intervenções futuras em edifícios comerciais e de serviços, sendo por isso, um conceito fortemente replicável. Através de um sistema de monitorização, a recolha de dados provenientes de vários sensores e registadores (dataloggers) nos equipamentos e salas do edifício, permitiu uma melhor visão das consequências do projeto com especial atenção aos dados provenientes das componentes elétrica, quer seja a produção ou consumo da zona-piloto, térmica, produção de calor e frio, ou de conforto, concentração de CO2, humidade e temperatura do ar. Após a recolha dos dados, estes foram tratados e analisados, numa perspetiva de avaliar os parâmetros de cada uma das 3 componentes referidas anteriormente, quer como a avaliação da classificação do edifício como um edifício NZEB pela legislação vigente e os conceitos teóricos definidos na literatura sobre o tema. Foi ainda importante a realização de uma análise económica, inserida num contexto de análise de ciclo de vida dos 50 anos do edifício. Durante um ano de análise dos dados experimentais, este edifício produziu quase 6 MWh de energia renovável e apresentou um consumo de aproximadamente 3 MWh, dos quais 40% foram cobertos pela produção de energia renovável e pelo sistema de armazenamento. A venda de energia renovável à rede resultou num ganho económico de 122.46€. Conclui-se também que este edifício atingiu os vários padrões NZEB descritos na literatura e impostos pela lei português e da União Europeia.
Autores principais:	Anacleto, Miguel de Jesus Ferreira
Assunto:	NZEB nZEB Eficiência energética Análise de ciclo de vida Renovação de NZEB Teses de mestrado - 2025
Ano:	2025
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	O objetivo deste trabalho, na continuidade do projeto Interreg SUDOE IMPROVEMNET. Realizado num edifício C localizado no campus do Lumiar do IAPMEI. Esta área que anteriormente tal como o restante edifício apresentava uma baixa eficiência energética, baixos níveis de conforto térmico e um alto consumo de energia foi sujeita a um projeto que visou desenvolver um projeto de integração de um sistema de monitorização inteligente com um sistema de trigeração com base de produção renovável, capaz de colmatar as necessidades de conforto, mas mantendo um nível de eficiência energética alto, com o proposto de atingir os padrões de um edifico com necessidades energéticas nulas (NZEB) estabelecidos pela União Europeia, e posteriormente redigidos na lei portuguesa. A zona renovada pelo projeto é composta por 2 escritórios, uma sala de conferências grande, uma sala de reuniões pequena e um corredor que conecta estas divisões entre si e o átrio do restante edifício C. Esta zona no qual o projeto IMPROVMENT incidiu é denominada de zona piloto. O projeto incidiu principalmente em 3 componentes principais: componente elétrica, térmica e de conforto. Na componente elétrica a instalação de sistemas de produção de energia renovável, como os painéis solares de 5 kWp e uma turbina eólica de 2.5 kW, são as principais medidas desta componente. Um sistema de armazenamento de 24 baterias de ácido-chumbo com capacidade de 32 kWh gera e armazena a energia de fonte renovável para alturas de maior consumo e menor produção. O sistema de produção renovável está conectado aos respetivos inversores, que conectam a um inversor bidirecional de 6 kW, que estabelece a ligação entre a produção, o sistema de armazenamento, a rede interna da zona piloto e a rede pública de eletricidade. Toda a área piloto recebeu nova instalação elétrica e circuitos de proteção, criando uma ilha de energia elétrica. Nesta nova instalação houve a preocupação de criar segmentos individualizados para alimentação de tomadas elétricas, ventiladores, iluminação, permitindo um melhor controlo das diversas cargas existentes. Esta nova topologia permitiu criar uma micro-rede capaz de funcionar em modo on-grid (ligada à rede pública) ou em modo off-grid (isolada da rede pública) alimentada exclusivamente por recursos renováveis. Para otimizar o uso da energia elétrica e evitar que os limites máximos de fornecimento sejam ultrapassados, foram implementados diversos circuitos elétricos para tomadas tipo schuko e iluminação em diferentes salas. As tomadas estão divididas em grupos de cores distintas, classificadas como prioritárias e não prioritárias. Caso seja identificado um consumo superior ao valor estabelecido para um determinado grupo, as tomadas não prioritárias serão desligadas automaticamente. Quando o consumo voltar a níveis aceitáveis, a energia será restabelecida para essas tomadas. Se o consumo total da área piloto se aproximar do limite máximo e o nível de armazenamento de energia estiver baixo (com um estado de carga (SoC) das baterias inferior a 60%), determinados circuitos, como as tomadas não prioritárias de maior consumo, o ar condicionado e/ou a iluminação, serão desligados automaticamente e de forma sequencial. Essa medida garante que o limite máximo de fornecimento de energia não seja ultrapassado, promovendo um uso mais racional e eficiente da eletricidade. O sistema de produção de energia térmica é constituído por uma bomba de calor ar/água de elevada eficiência e potência térmica de 14,5 kW, para aquecimento ou arrefecimento ambiente, assistida por energia solar, através de coletores solares de tubos de vácuo com área de abertura de 4,8 m2 e um acumulador térmico de 300 L que transfere energia térmica para um acumulador de inércia de 1000 L de água. Toda a climatização da área piloto é feita através de um anel de água fechado que percorre todos os ventiloconvetores da zona piloto fornecendo água quente ou fria consoante a estação do ano (verão ou inverno) e assim manter o espaço a uma temperatura agradável. O projeto térmico conta ainda com um segundo sistema solar composto por coletores híbridos PV-T, com área de abertura de 4,2 m2 e acumulador térmico de 300 L, para preparação de água quente no edifício. O circuito térmico é apoiado por uma bomba de calor ar-água para produção de calor e frio necessários à climatização de todo o espaço. De forma a mitigar o consumo de energia elétrica necessária à bomba de calor, optou-se pela instalação de um acumulador de água com a finalidade de funcionar como acumulador inercial de aquecimento ou arrefecimento dependendo da estação do ano. Assim, o circuito térmico dispõe de dois modos de funcionamento, o modo direto em que a água circula diretamente entre a bomba de calor e o circuito dos ventiloconvetores, e um modo económico, em que a água circula pelos ventiloconvetores a partir do acumulador de inércia 1000L. Sempre que a temperatura do acumulador de inércia se desviar da temperatura desejada, a bomba de calor trabalhará para restaurar a mesma. Os resultados da monitorização permitiram constatar que o modo económico não tem vantagens durante o período de verão, quando será necessário manter a água arrefecida no acumulador à temperatura de 15 graus celsius. Durante o período de inverno, o acumulador inverte a sua função e irá manter a água do seu interior a 40 graus Celsius para fornecer o calor através do anel de água aos ventiloconvetores instalados na área piloto. A assistência de energia solar da bomba de calor, consiste num sistema solar de circulação forçada cujo circuito primário liga dois coletores com tubos de vácuo e um depósito de 300L, circuito solar térmico em circuito fechado no qual é aquecido um acumulador água de 300L de fonte renovável. Quando a temperatura deste acumulador é superior à do acumulador de inércia, abre-se a circulação de água para este último, tentando mantê-la na temperatura desejada e assim reduzir o tempo de funcionamento da bomba de calor, atenuando os picos de consumo e reduzindo os custos de eletricidade. Estes dois modos podem ser escolhidos através de uma operação muito simples de realizar. Para além da instalação de sistemas de monitorização, climatização e produção renovável, houve também intervenção na estrutura física do edifício. O resultado deste projeto resultou na criação de uma zonapiloto, que serve como uma área de estudo capaz de servir de modelo para intervenções futuras em edifícios comerciais e de serviços, sendo por isso, um conceito fortemente replicável. Através de um sistema de monitorização, a recolha de dados provenientes de vários sensores e registadores (dataloggers) nos equipamentos e salas do edifício, permitiu uma melhor visão das consequências do projeto com especial atenção aos dados provenientes das componentes elétrica, quer seja a produção ou consumo da zona-piloto, térmica, produção de calor e frio, ou de conforto, concentração de CO2, humidade e temperatura do ar. Após a recolha dos dados, estes foram tratados e analisados, numa perspetiva de avaliar os parâmetros de cada uma das 3 componentes referidas anteriormente, quer como a avaliação da classificação do edifício como um edifício NZEB pela legislação vigente e os conceitos teóricos definidos na literatura sobre o tema. Foi ainda importante a realização de uma análise económica, inserida num contexto de análise de ciclo de vida dos 50 anos do edifício. Durante um ano de análise dos dados experimentais, este edifício produziu quase 6 MWh de energia renovável e apresentou um consumo de aproximadamente 3 MWh, dos quais 40% foram cobertos pela produção de energia renovável e pelo sistema de armazenamento. A venda de energia renovável à rede resultou num ganho económico de 122.46€. Conclui-se também que este edifício atingiu os vários padrões NZEB descritos na literatura e impostos pela lei português e da União Europeia.