Ferramentas Calculo de Carga Termica

Ferramentas Calculo de Carga Termica

(Parte 1 de 8)

Por Thiago Machado Karashima

Brasília, 24 de Novembro de 2006

Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica

POR Thiago Machado Karashima

Relatório submetido como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Banca Examinadora Prof. João Manoel Dias Pimenta, UnB/ ENM (Orientador)

Prof. José Luiz Alves Fontoura Rodrigues, UnB/ ENM Prof. Armando Caldeira Pires, UnB/ ENM

Brasília, 24 de Novembro de 2006

Dedicatória

Dedico este trabalho aos meus pais, Yoshihiro Karashima e Norma Machado Karashima que sempre me guiaram pelos melhores caminhos da vida.

Thiago Machado Karashima iv

Agradecimentos

Eu agradeço Ao professor orientador João Pimenta, pela paciência e confiança; Àqueles que de alguma forma contribuíram para o sucesso desta caminhada; em especial aos meus irmãos Igor e Rodrigo, por representarem exemplos a serem seguidos; aos amigos e colegas de curso Álvaro Fagundes, Felipe Guimarães, Juliana Moraes, Késia Souza, Mário Nogueira, Mirna Alexandre, Paulo Vilafañe, Rafael Paulino, Rafael Sartori, Roberson Fernando e Thiago Pereira, pelas palavras de incentivo em momentos apropriados; aos amigos Amanda Veloso, Danuza Lucena, Diogo Ybiti, Diogo Costa, Felipe Azevedo, Fernanda Seixas, Francisco Ohana, Gabriel Veloso, Gabriel Rabelo, Heitor Nardon, João Paulo Araújo, Marcelo Arruda, Mariane Bicalho, Raoni Vasconcelos e Tiago Peixoto, pelo companheirismo de sempre; Mariana Araújo e a Suhelen Freitas, por fazerem parte da minha história.

Thiago Machado Karashima

Este trabalho apresenta uma comparação entre os resultados do cálculo de carga térmica de cinco ferramentas de cálculo, que são: EnergyPlus, Trace, CTVer, planilha de cálculo e TR/m2. Para tal foi feito a princípio uma validação de cada ferramenta, resolvendo-se um exemplo já conhecido; posteriormente foram resolvidos três estudos de caso, dando ênfase à ferramenta de simulação EnergyPlus. Da validação das ferramentas, obteve-se que os resultados para carga térmica de resfriamento fornecidos pelo EnergyPlus e pelo Trace foram próximos do esperado; o CTVer e a planilha de cálculo geraram resultados acima do esperado, enquanto a metodologia TR/m2 forneceu resultados abaixo do esperado. Procurouse analisar a influência de camadas de isolamento térmico no teto, da orientação com relação ao norte verdadeiro, da refletividade dos vidros e da presença de dispositivos internos de sombreamento. Os resultados mostram que estes fatores não têm grande influência na carga térmica de refrigeração quando analisada apenas ao longo de um dia de projeto, mas causam um efeito considerável na energia de refrigeração requerida e, conseqüentemente, na energia elétrica consumida quando analisada ao longo de um ano. Com um aumento de apenas 10% na refletividade solar do envidraçamento, obteve-se uma economia de R$17 300 em energia elétrica por ano de operação em um dos estudos de caso.

Palavras-chave: carga térmica, simulação, EnergyPlus, Trace.

This work presents a comparison between the cooling thermal load calculated by five calculation tools, which are: EnergyPlus, Trace, CTVer, calculation spread sheet and TR/m2. For such purpose it was done a validation of each tool, by solving a known example; then three case studies were solved, focusing on the EnergyPlus simulation tool. From the validation of the tools, it was obtained that the cooling load results supplied by EnergyPlus and by Trace were close to the expected value; CTVer and the spread sheet generated results higher than the expected, while the TR/m2 methodology gave results below the expected. It was intended to analyze the influence of insulation layers in the roof, orientation with relation to the real north, reflectance of the glazing and presence of interior shading devices. Results show that these factors do not have a great impact on the cooling load when analyzed just by the point of view of a design day, but they cause a considerable effect on the required energy of refrigeration and, thereby in the consumed electric energy when analyzed through an entire year. Proceeding with a small increasing of 10% in the solar reflectance of the building glazing, it was obtained an economy of R$17 0 in electric tariff per year of operation in one of the case studies.

Keywords: thermal load, simulation, EnergyPlus, Trace.

vi vi

vii

1 INTRODUÇÃO1
1.1 TEMA EM ESTUDO1
1.2 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO2
1.3 ESTADO DA ARTE4
1.4 OBJETIVOS6
1.5 METODOLOGIA6
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO7
2 CONCEITOS TEÓRICOS8
2.1 MÉTODOS DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA8
2.2 SOBRE O PROGRAMA ENERGYPLUS12
2.2.1 Metodologias de cálculo do EnergyPlus15
2.3 SOBRE O PROGRAMA TRACE21
2.3.1 Metodologia de cálculo do Trace21
2.4 SOBRE O PROGRAMA CTVER23
2.4.1 Metodologia de cálculo do CTVer23
2.5 SOBRE A PLANILHA DE CÁLCULO28
2.5.1 Metodologia de cálculo da planilha28
2.6 SOBRE O CÁLCULO TR/M229
3 VALIDAÇÃO DAS FERRAMENTAS30
3.1 ANSI/ASHRAE STANDARD 140-2004, METODOLOGIA BESTEST30
3.2 EXEMPLO RESOLVIDO DO ASHRAE FUNDAMENTALS3
4 ESTUDO DE CASO – NTI-CPD36
4.1 CONDIÇÕES EXTERNAS E INTERNAS DE SIMULAÇÃO36
4.2 INSERÇÃO DE DADOS36
4.2 SIMULAÇÕES E RESULTADOS38
5 ESTUDO DE CASO – FUNASA4
6 ESTUDO DE CASO – PGR49
7 CONCLUSÕES54
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS5
BIBLIOGRAFIA57

viii

(BEYER & SALVADORETTI, 2003C)25

FIGURA 1. EVOLUÇÃO TÍPICA DA TEMPERATURA EXTERNA UTILIZADA PELO CTVER.

SALVADORETTI, 2003C)26
FIGURA 3. EXEMPLO DE CASOS TESTADOS PELO BESTEST31

FIGURA 2. GANHO TÉRMICO ATRAVÉS DE UMA SUPERFÍCIE EXTERNA OPACA. (BEYER &

SERPENTINA PARA ALGUNS CASOS. (TRANE, 2006B)32

FIGURA 4. HVAC BESTEST: COMPARAÇÃO DA CARGA TÉRMICA SENSÍVEL DE

PARA ALGUNS CASOS. (TRANE, 2006B)32

FIGURA 5. HVAC BESTEST: COMPARAÇÃO DA CARGA TÉRMICA LATENTE DE SERPENTINA

(ASHRAE, 1997)3
FIGURA 7. EXEMPLO ASHRAE: ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO EP34
FIGURA 9. PAVIMENTO TÉRREO. NTI-CPD38
FIGURA 10. PAVIMENTO SUPERIOR. NTI-CPD39
FIGURA 1. CONVENÇÃO DA ORIENTAÇÃO DO EDIFÍCIO39
FIGURA 12. GRÁFICO CARGA TÉRMICA DE PICO X ORIENTAÇÃO. NTI-CPD40

FIGURA 6. DESCRIÇÃO DO EXEMPLO DO ASHRAE 1997 FUNDAMENTALS HANDBOOK. FIGURA 8. ARQUIVO “.DFX” GERADO PELA SIMULAÇÃO NO E+ DO EDIFÍCIO NTI-CPD.38

0º. NTI-CPD41

FIGURA 13. CARGA TÉRMICA AO LONGO DE UM DIA DE PROJETO PARA A ORIENTAÇÃO A

CPD42

FIGURA 14. CARGA TÉRMICA AO LONGO DO ANO PARA AS ORIENTAÇÕES 0º E 90º. NTI-

UM ANO. NTI-CPD42
FIGURA 16. EDIFÍCIO SEDE DA FUNASA. ARQUIVO .DFX GERADO PELO EP4
FIGURA 17. FUNASA: PAVIMENTO TÍPICO4
FIGURA 18. FUNASA: FACHADA LESTE45

FIGURA 15. CARGA TÉRMICA DE BLOCO E ENERGIA DE REFRIGERAÇÃO AO LONGO DE

SOMBREADORAS45
FIGURA 20. FUNASA: PAVIMENTO SOB REFORMA46
FIGURA 21. FUNASA: PAVIMENTO REFORMADO E EM FUNCIONAMENTO46
FIGURA 2. PGR: BLOCOS A, B, C E D49
FIGURA 23 PGR: DISPOSIÇÃO DOS EDIFÍCIOS49

FIGURA 19. FUNASA: EDIFÍCIOS ADJACENTES, CONSIDERADOS COMO SUPERFÍCIES

CIRCUNFERENCIAIS50

FIGURA 24. PGR: BLOCOS A E B, DISCRETIZAÇÃO DAS SUPERFÍCIES

CIRCUNFERENCIAIS50
FIGURA 26. PGR: BLOCO A, ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO E+51
FIGURA 27. PGR: BLOCOS C E D, ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO E+51
FIGURA 28. PGR: BLOCO E, ARQUIVO “.DFX” GERADO NO E+51

ix

TABELA 1. RESULTADOS PARA UM DIA DE PROJETO DO EXEMPLO DO ASHRAE (1997).3

CONFIGURAÇÃO ORIGINAL39

TABELA 2. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE PICO PARA O NTI-CPD.

ORIENTAÇÃO40

TABELA 3. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE PICO PARA O NTI-CPD. VARIAÇÃO DA

E+41
TABELA 5. FUNASA: RESULTADOS PARA DIA DE PROJETO NO E+47

TABELA 4. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE BLOCO E DA ENERGIA DE REFRIGERAÇÃO AO LONGO DO ANO PARA O NTI-CPD. VARIAÇÃO DA ORIENTAÇÃO NO

UTILIZANDO E+47

TABELA 6. FUNASA: RESULTADOS PARA SIMULAÇÃO AO LONGO DE UM ANO,

ANO NO E+52

TABELA 7. PGR: RESULTADOS DA SIMULAÇÃO DOS SEIS EDIFÍCIOS AO LONGO DE UM

Símbolos Latinos

A Área [m2] C Capacitância [J/Kg·°C] h Coeficiente de convecção [W/m2·K] m Vazão mássica [Kg/s] N Número [ ] O Ordem [ ]

,Qq Energia por unidade de tempo, potência [W]

,Tt Temperatura [°C]

U Coeficiente global de transferência de calor [W/m2·°C]

DTCR Diferencial de Temperatura da Carga Térmica [°C] LM Correção para a latitude e mês [ ] fK Fator de correção para a coloração da superfície [ ]

CTIE Correção para a temperatura interna e externa [ ] f Fator de correção para a ventilação do ático [ ] tbs Temperatura de bulbo seco [ ºC] FGCS Fator de ganho de calor solar [ ] CS Coeficiente de sombreamento [ ] FCR Fator de carga de resfriamento [ ] F Fator de umidade [ grVA/kgAS] V Volume [ m3] PVD Porcentagem da variação diária [ ] VD Variação diária da temperatura (amplitude térmica) [ ºC] l Espessura [ m] k Condutividade térmica [ W/m·K] UR Umidade relativa [ ] CT Carga térmica [TR]

Símbolos Gregos δ Incremento [ ] ρ Massa específica [kg/m3]

Subscritos sys sistema de condicionamento z zona zones zonas i i-ésimo, interno e externo E externo (relativo ao ar externo) in interno inf infiltração p ar s superfície surfaces superfícies xi

∞ ambiente externo, infinito sl fonte de carga interna convectiva h horário (variação horária) S parcela sensível L parcela latente

Sobrescritos i Variação temporal

Valor médio

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