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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Área Departamental de Engenharia Mecânica
ISEL
Desenvolvimento de caso de estudo na Componente de
Climatização num Gabinete de Engenharia
MAGALIE CATARINO DA CUNHA
(Licenciado em Engenharia Mecânica)
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Orientadores: Doutora Cláudia Sofia Séneca da Luz Casaca Especialista João Antero Nascimento dos Santos Cardoso
Júri: Presidente: Doutor João Manuel Ferreira Calado Vogais: Doutor Luís Manuel Rodrigues Coelho Doutora Cláudia Sofia Séneca da Luz Casaca
maio de 2018
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Agradecimentos
Finda a elaboração do trabalho final de mestrado, é de evidenciar a contribuição de todos os que, direta ou indiretamente, contribuíram para a concessão deste trabalho mostrando desta forma o meu agradecimento nomeadamente à minha família, principalmente aos meus pais, avó Gisela, madrinha e irmã que sempre me apoiaram no meu percurso académico e permitiram que alcançasse o meu sonho.
Quero agradecer ao meu namorado, Bruno, por todo o apoio, paciência e carinho prestados desde e o início do meu percurso académico.
Aos meus amigos agradeço todo o apoio e compreensão que me deram nos momentos de stress e frustração, que permitiram que continuasse a ter força de vontade e a acreditar que seria possível chegar ao fim deste percurso com sucesso. Apesar de serem muitas as pessoas que me apoiaram, quero agradecer em especial, aos que tiveram sempre presentes ao longo destes cinco anos: Rita Noruegas, Raquel Nunes, Madalena Luís, Marisa Alves, Sara Rodrigues, Diogo Gomes, David Costa, Nuno Guerreiro, Hugo Almeida e Margarida Ribeiro.
Finalmente, quero agradecer aos meus orientadores, Especialista João Cardoso e Doutora Cláudia Casaca, por terem oferecido a oportunidade de realizar o estágio na empresa, ACet, que possibilitou a aquisição de conhecimento do mercado de trabalho e a aplicação dos conhecimentos adquiridos ao longo do percurso académico, para além de ajudarem no desenvolvimento do caso de estudo. Agradeço também a todo a equipa da ACet pelo apoio e transmissão de novos conhecimentos, que permitiram o desenvolvimento de projetos, agradecendo em especial a motivação do Mário Fontes, da Ana Teixeira, da Bárbara Brito, do Marco Felício e do Ricardo Nunes.
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Resumo
O consumo energético dos edifícios residenciais e comerciais, segundo a DGEG, em 2011 atingiu cerca de 28% do consumo total de energia final em Portugal, contribuindo assim fortemente para o aumento dos gases de estufa na atmosfera. De modo a minimizar o consumo energético e diminuir a pegada ecológica desses edifícios, há necessidade de se utilizarem novas soluções nos sistemas consumidores de energia aí instalados, nomeadamente os sistemas de climatização.
O presente documento descreve as atividades desenvolvidas durante o estágio curricular na empresa ACet, ANTERO CARDOSO – Engenharia Termodinâmica, Lda. A ACet tem como atividade principal a elaboração e consultoria de projetos de engenharia para instalações técnicas especiais.
Dos diversos trabalhos desenvolvidos na empresa destacou-se o projeto de reabilitação de um edifício residencial, que consiste na climatização dos espaços e na produção de águas quentes sanitárias. No âmbito do projeto foi efetuada uma análise do consumo energético anual comparativo entre três sistemas alternativos de climatização, incluindo ainda um sistema solar térmico para produção de água quente sanitária.
A seleção do sistema de climatização com melhor eficiência foi realizada por meio de simulações energéticas comparativas. O estudo energético teve em conta medidas passivas para a melhoria do desempenho energético do edifício, com base nas características da habitação e a viabilidade da sua aplicação. Adicionalmente foi efetuada uma análise económica dos sistemas de climatização em estudo, permitindo designar qual destes seria o mais rentável a longo prazo_._
Da análise energética realizada para os três sistemas de climatização, conclui-se que o sistema VRF com recuperação de calor é o sistema que consome menos energia elétrica, cerca de 27 % relativamente ao sistema Chiller/ Bomba de calor reversível que apresenta maior consumo de energia elétrica. O sistema Chiller/Bomba de Calor reversível com recuperação de calor consome menos de 17% de energia elétrica relativamente ao sistema Chiller/ Bomba de Calor reversível.
Palavras chave: AVAC, Eficiência Energética, Reabilitação, Simulação Energética.
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Nomenclatura
A – Área da secção [m^2 ]
ܥ – Coeficiente de rugosidade (C=150 para tubagem de plástico e cobre)
̇ܥ – Consumo mínimo da instalação (instantâneo) [kW];
CE – aq. – Consumo elétrico da bomba de calor, modo arrefecimento [kWh]
CE – arref. – Consumo elétrico do chiller, modo arrefecimento [kWh]
CE – BC/AQS – Consumo elétrico do módulo de AQS [kWh]
CE – BCir – Consumo elétrico da bomba circuladora [kWh]
CE – BCir/AQS – Consumo elétrico da bomba circuladora para AQS [kWh]
CE – Total – Consumo elétrico total do sistema [kWh]
CE – VEN – Consumo elétrico das unidades interiores [kWh]
CE – VRF – aq. – Consumo elétrico do VRF, modo aquecimento [kWh]
CE – VRF – arref. – Consumo elétrico do VRF, modo arrefecimento [kWh]
COPA – Coeficient of Performance do Sistema A [adimensional]
COPB – Coeficient of Performance do Sistema B [adimensional]
COPC – Coeficient of Performance do Sistema C [adimensional]
cpágua – Calor específico da água [kJ/kg.K]
𤀀𧐀ଵ – Calor específico da água junto ao Chiller/Bomba de Calor [kJ/kg.K]
𤀀𧐀ଶ – Calor específico da água junto ao depósito de AQS [kJ/kg.K]
ܦ𥠀 – Diâmetro interno da tubagem [𦠀]
e – Coeficiente de expansão da água. Calculado com base na máxima diferença entre a temperatura da água na instalação a frio e a máxima em funcionamento [adimensional]
e 1 – Espessura do material [m]
Eaq. – Energia de Aquecimento [kWh]
Eaq. – BC/AQS – Energia de aquecimento da BC para AQS [kWh]
Eaq. – VRF/BC – Energia de aquecimento do VRF para BC [kWh]
Earref. – Energia de Arrefecimento [kWh]
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Qn – Caudal de água para satisfazer as necessidades de consumo [l/s]
qsk – Taxa total de calor perdido através da pele [W/m^2 ]
qres – Taxa total de calor perdido pela respiração [W/m^2 ]
Q% – Percentagem de caudal [%]
REaq. – Recuperação de energia em aquecimento [kWh]
REarref. – Recuperação de energia em arrefecimento [kWh]
Ri – Resistência térmica do material [m^2 .K/W]
ݐ𣠀 – Temperatura de bolbo seco do ar ambiente [⁰C]
ݐ𤀀 – Temperatura exterior do vestuário [⁰C]
ݐ̅𧰀 – Temperatura média radiante [⁰C]
T 1 - Temperatura da água a 60ºC
T 2 – Temperatura da água da rede [ºC]
ΔTágua – Diferença de temperatura entre a água da rede e a de consumo [ºC]
ΔTar – Diferença de temperatura entre o exterior e o interior da zona [K]
Δ𡰀ଵ – Diferença de temperatura da água (entrada e saída do Chiller/Bomba de Calor) [ºC]
Δ𡰀ଶ – Diferença de temperatura da água (entrada e saída da água na serpentina de aquecimento do depósito de AQS) [ºC]
ݐΔ𥠀 – Tempo mínimo de funcionamento da instalação [s]
Δt – Tempo [h]
U – Coeficiente global de transmissão de calor [W/m^2 .K]
Ucaixilharia – Coeficiente de transmissão térmica da caixilharia [W/m^2 .ºC]
Ut. – Percentagem de utilização [%]
Uvirdro – Coeficiente de transmissão térmica do vidro [W/m^2 .ºC]
𢐀 – Velocidade da água [𦠀/ݏ]
𢐀🀀 – Volume do depósito de inércia [m³]
Vint. – Conteúdo total de água da instalação [l]
𢐀𢐀ா – Volume do vaso de expansão [l]
𢐀̇ – Caudal instantâneo [l/s]
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W – Taxa de trabalho mecânico realizado [W/m^2 ]
– Condutibilidade térmica do material [W/m.K]
η – Eficiência do coletor [%]
– Eficiência ótica (fator de conversão) [%]
– Fator de perdas de calor [%]
– Massa específica [𦀀𥀀/𦠀ଷ]
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PPD – Predicted percent dissatisfied
RECS – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços
REH – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação
QAI – Qualidade do Ar Interior
SCE – Sistema de Certificação Energética do Edifícios
TABS – Thermally active building systems
UI – Unidade Interior
UE – Unidade Exterior
UTA – Unidade de Tratamento de Ar
VAC – Volume de Ar Constante
VAV – Volume de Ar Variável
VC - Ventiloconvector
VE.COZ – Ventilador de extração da cozinha
VE.WC – Ventilador de extração das casas de banho
VRF – Variable Refrigerant Flow
VRV – Variable Refrigerant Volume
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Índice
Agradecimentos ...................................................................................................................... i
Resumo ................................................................................................................................. iii
- Capítulo 1. Introdução Abstract v
- 1.1. Enquadramento do Tema
- 1.2. Motivação e objetivos
- 1.3. Metodologia
- 1.4. Estrutura da dissertação
- Capítulo 2. A empresa
- 2.1. História e Descrição
- 2.2. Conceitos de Projeto
- 2.3. Metodologia da empresa
- 2.4. Trabalhos desenvolvidos durante o estágio
- 2.4.1. Projeto Moradia Cascais.....................................................................................
- 2.4.2. Projeto Adigrat
- 2.4.3. Projeto Recipharm II – Remodelação da Rede Vapor
- 2.4.4. ZEE Luanda – Unidade de Genéricos
- Capítulo 3. Instalações Técnicas Especiais
- 3.1. Sistemas AVAC
- 3.1.1. A sua importância...............................................................................................
- 3.1.2. Parâmetros influentes no Conforto Térmico
- 3.1.3. Qualidade do Ar Interior
- 3.1.4. Sistemas de Climatização
- 3.1.5. Equipamentos principais
- 3.1.6. Sistemas de superfície radiante
- 3.2. Simulação Térmica
- 3.2.1. Cargas térmicas xiv
- 3.2.2. Carrier’s Hourly Analysis Program (HAP)
- 3.3. Controlo e Instrumentação
- 3.4. Sistema Solar Térmico
- 3.4.1. Energia Solar
- 3.4.2. Legislação e certificação em Portugal
- 3.4.3. Coletores Solares
- 3.4.4. Tipos de Sistemas Solares Térmicos
- 3.4.5. Simulação
- 3.5. Dimensionamento hidráulico
- 3.5.1. Dimensionamento de tubagem
- 3.5.2. Bombas circuladoras
- 3.5.3. Depósitos de inércia
- 3.5.4. Vasos de expansão
- 3.6. Dimensionamento aeráulico
- Capítulo 4. Caso de Estudo
- 4.1. Produção de Água Quente Sanitária
- 4.2. Modelação dos sistemas no HAP..............................................................................
- 4.2.1. Caracterização dos espaços
- 4.2.2. Definição dos sistemas de climatização
- 4.2.3. Definição da carga de apoio nos sistemas de climatização
- 4.2.4. Seleção dos equipamentos de climatização
- 4.2.5. Definição do menu Plant do HAP dos sistemas
- 4.3. Dimensionamento hidráulico
- 4.3.1. Perda de carga da bomba circuladora do circuito Solar
- 4.3.2. Perda de carga da bomba circuladora do sistema A
- 4.3.3. Perda de carga da bomba circuladora do sistema B e C...................................
- 4.4. Sistema de ventilação mecânica xv
- 4.5. Resultados e análise
- 4.5.1. Resultados dos sistemas superfície radiante.....................................................
- 4.5.2. Resultados dos sistemas A, B e C
- 4.5.3. Análise energética
- 4.5.4. Análise económica
- Capítulo 5. Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro
- Referências - Dimensionamento dos Páineis Solares Térmicos - Definição dos Spaces - Definição da carga de apoio - Cálculo Hidráulico - Cálculo Aeráulico - Diagrama P&ID - Desenhos de implementação de equipamentos - Lista de Salas e Fichas Técnicas.................................................................. - Análise Económica
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