Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate
| Main Author: | |
|---|---|
| Publication Date: | 2020 |
| Format: | Master thesis |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| Download full: | http://hdl.handle.net/10451/48416 |
Summary: | Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020 |
| id |
RCAP_292ba90d1ebff3b54c484603b57525f6 |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ulisboa.pt:10451/48416 |
| network_acronym_str |
RCAP |
| network_name_str |
Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| repository_id_str |
https://opendoar.ac.uk/repository/7160 |
| spelling |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climateNZEHEnergyPlusEMSAFNFotovoltaicoTeses de mestrado - 2020Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do AmbienteTese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Para reverter os efeitos das alterações climáticas e projetar um futuro sustentável, o setor da energia está a tomar três principais medidas: eletrificação, descarbonização e eficiência energética. Entre os três maiores consumidores de energia, logo maiores emissores de carbono, encontra-se o setor dos edifícios que, especialmente no sul da Europa, avança a passos lentos no sentido do edifício eficiente, estando em fase de desenvolvimento muito precoce da implantação do edifício de alta performance. Prevê-se que os climas temperados de latitudes médias sejam dos mais afectados pelo aquecimento global, com aumento nomeadamente da frequência, duração e intensidade das ondas de calor, pelo que perceber e instalar estratégias passivas de arrefecimento é urgente. São elas: a ventilação nocturna, a obstrução solar (sombreamento), o isolamento – desde que não exceda a capacidade do espaço de evacuar calor, acumulando-o –, trocas radiativas com o céu, convectivas, evapo-transpiração, o uso da inércia para armazenamento e modelação das condições interiores em parceria com a ventilação natural para remoção do calor, etc. Um desses climas com previsão de alargamento do verão é o clima Mediterrânico, que se traduz como um clima temparado quente – classe ‘C’ na classificação climática de Köppen-Geiger – de verão seco – subclasse ‘s’ – e quente ou ameno – subtipos ‘a’ e ‘b’, portanto Csa e Csb. Para uma recolha de 68 localidades do sul da Europa, com subtipos climáticos Csa e Csb, foi feita uma análise da temperatura ambiente e radiação global horizontal. A cidade que mais se aproximava da média da amostra em ambos os parâmetros era a de Nice, no sul de França, pelo que Nice foi escolhida como a cidade representativa da norma do clima Mediterrânico e o local de construção hipotética da casa projetada nesta dissertação. Nice apresenta clima Csa e verões quentes de Junho a Setembro. A planta da moradia foi desenhada em SketchUp considerando uma família de 4 pessoas, um só piso, e uma otimização do uso dos espaços a Sul. Assim, os quartos das crianças, a sua casa-de-banho, e o solário/marquise junto à sala foram inseridos na fachada Sul. A suite dos pais foi posicionada virada a Este com o seu WC privativo no canto nordeste da casa, protegendo a envolvente da suite a Norte. Os quartos encontram-se todos na secção Este da casa. Do outro lado, a cozinha está virada a Norte, seguida da sala de jantar+sala de estar (zona DLIV) no meio da secção com janela a Oeste, e então o solário com portas de vidro amovíveis (viradas para a sala) orientado a Sul. Uma pála horizontal exterior foi dimensionada analiticamente para que sombreasse totalmente a janela do solário e quartos das crianças (têm a mesma altura) no verão, e garantisse exposição solar total no inverno. A zona térmica da cozinha teve que ser separada da da sala pois, ao contrário da última, não tem operação AVAC; no entanto, um conceito aberto moderno era desejado, pelo que se criou uma porta interior ocupando (praticamente) toda a parede de interseção entre as zonas, e definiu-se esta porta dentro do EnergyPlus, o software de simulação energética utilizado, como estando sempre aberta. A casa tem grande área envidraçada, pé-direito de 3 m, e áreas de chão bastante razoáveis. A envolvente térmica que a compõe foi baseada na de uma casa certificada Passive House Premium localizada não muito longe de Nice (em Solliès-Pont). Os isolantes térmicos foram todos trocados por cortiça de condutividade 0.04 W/m.K, um material muito produzido no sul da Europa. A composição de cada fachada foi simplificada e os coeficientes de tranferência de calor (U-values) relaxados, excepto para o telhado plano que manteve 25 cm de isolamento. A janela escolhida foi dupla de baixa emitância térmica e preenchida com Árgon. Na construção do solo, uma simplificação foi utilizada que estabelece que as temperaturas do solo a 2 m de profundidade podem ser usadas no EnergyPlus como condição de fronteira do chão, se se projectar uma construção do pavimento com 2 m de espessura, tendo-se incluído o material ‘solo’ com a espessura em falta, 1.4 m. Já no EnergyPlus, para que a janela larga da cozinha virada a Norte ventilasse a sala, motivo pelo qual ela foi traçada, foi criado um modelo de movimentação de ar multizona, o ‘Airflow Network’ (AFN). Mas tanto os controlos de abertura de janelas para ventilação natural do AFN, como de operação dos dispositivos de sombreamento amovíveis – estores exteriores e persianas interiores – foram personalizados com detalhe usando o ‘Energy Management System’ (EMS). Programando dentro do EnergyPlus, escrevendo códigos curtos e simples, as condições de controlo limitadas do software são ignoradas e sobrepostas. Assim, um modo de condicionamento híbrido de AVAC e ventilação natural foi criado, que tendo ambas as opções disponíveis ao mesmo tempo, garante que não há simultaneidade de operação entre elas, bem como um programa de controlo dos sombreamento amovível das janelas exteriores, que permite que haja um segundo dispositivo na mesma janela; tal foi feito impondo uma mudança da construção da janela para uma que inclui o estor na posição exterior, quando as suas condições de operação são satisfeitas. O estor funciona como isolamento amovível, prevenindo arrefecimento excessivo e sobraquecimento quando a casa está desocupada. As persianas interiores também são controladas no mesmo program de EMS para bloquearem a radiação directa quando: a família está em casa, a sala está perto do sobreaquecimento e a radiação incidente tem uma intensidade superior a 150 W/m2. Todos estes controlos resultaram em cargas térmicas anuais de 3.62 kWh/m2.a e 2.90 kWh/m2.a por Área Tratada (TFA, soma das áreas de todas as zonas condicionadas) para aquecimento e arrefecimento, respectivamente, portanto muito abaixo do requisito do standard Passive House de 15 kWh/m2.a para cada carga. Uma bomba de calor teórica de eficiência global de 20% foi usada como equipamento AVAC, e uma série de sete módulos fotovoltaicos foi suficiente para suprir o consumo anual total de electricidade da casa de 1.99 MWh. As horas de operação das janelas, estores e persianas foram constatadas como elevadas, evidenciando a eficiência da aplicação destas estratégias passivas – excepto para as persianas, como se previa, visto que estas bloqueiam radiação excessiva quando a casa está ocupada, e à semana a família só chega às 18:30, quando a radiação já não é elevada; estas persianas são úteis ao fim-de-semana. No entanto, verificou-se um consumo de arrefecimento elevado na sala, e taxas de desconforto por sobreaquecimento quando a casa está ocupada acima do desejado. O modo passivo revelou menor desconforto térmico, o que valida que o problema terá estado na operação do AVAC. O horário de operação intermitente deve ser demasiado reduzido, a meia hora que antecede a chegada da família a casa e em que o sistema liga será insuficiente para colmatar sobreaquecimentos. De qualquer forma, um edifício de baixíssimo consumo foi alcançado.A single-family single-floor detached NZEH was designed for the city of Nice, France, of Mediterranean climate. A horizontal overhang was projected analytically to completely shade the South glazing on summer and assure total exposure on winter. The thermal envelope was based on a nearby certified Passive House Premium, with some relaxation of the heat transfer coefficient, except for the roof (25 cm of cork insulation). An intermittent operation was used for the HVAC. A modern open concept of kitchen-dining-living room was applied, with separation of the untreated kitchen from the dining-living room (DLIV) by an always open door that covers the whole joint wall. A sunroom faces South, DLIV is in the middle (West glazing), the kitchen on the North with a wide window specifically to provide north winds for night flushing of DLIV. Thus, a multizone Airflow Network was created on EnergyPlus (E+). Both venting and movable shading devices’ operation controls were customised using EMS. By writing simple codes inside E+, its limited control conditions were overridden, enabling a hybrid conditioning mode with HVAC and natural ventilation available at the same time but never overlapping, and a second shading device on windows, the external shutter, through a full window construction change. The shutters act as movable insulation, preventing overcooling and overheating when the house is unoccupied. The internal blinds, that block beam radiation when the occupants are home, were also optimised with EMS. All these controls resulted in thermal loads below 4 kWh/m2.y per Treated Floor Area for both cooling and heating, well below the Passive House 15 kWh/m2.y threshold for each. A theoretical heat pump was used, and a string of 7 PV modules was sufficient to supply the 1.99 MWh annual total electric consumption.Panão, Marta João Nunes OliveiraRepositório da Universidade de LisboaCorreia, Mafalda Sofia Tavares Valente2021-06-08T16:23:54Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/48416TID:202604780enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-17T14:34:51Zoai:repositorio.ulisboa.pt:10451/48416Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T03:15:54.339414Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| title |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| spellingShingle |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate Correia, Mafalda Sofia Tavares Valente NZEH EnergyPlus EMS AFN Fotovoltaico Teses de mestrado - 2020 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente |
| title_short |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| title_full |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| title_fullStr |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| title_full_unstemmed |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| title_sort |
Concept, design and energy simulation of a Net Zero Energy Home for the Mediterranean climate |
| author |
Correia, Mafalda Sofia Tavares Valente |
| author_facet |
Correia, Mafalda Sofia Tavares Valente |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Panão, Marta João Nunes Oliveira Repositório da Universidade de Lisboa |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Correia, Mafalda Sofia Tavares Valente |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
NZEH EnergyPlus EMS AFN Fotovoltaico Teses de mestrado - 2020 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente |
| topic |
NZEH EnergyPlus EMS AFN Fotovoltaico Teses de mestrado - 2020 Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do Ambiente |
| description |
Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020 |
| publishDate |
2020 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2020 2020 2020-01-01T00:00:00Z 2021-06-08T16:23:54Z |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| format |
masterThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/10451/48416 TID:202604780 |
| url |
http://hdl.handle.net/10451/48416 |
| identifier_str_mv |
TID:202604780 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
eng |
| language |
eng |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
| eu_rights_str_mv |
openAccess |
| dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia instacron:RCAAP |
| instname_str |
FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia |
| instacron_str |
RCAAP |
| institution |
RCAAP |
| reponame_str |
Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| collection |
Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia |
| repository.mail.fl_str_mv |
info@rcaap.pt |
| _version_ |
1833601645222559744 |