Análise térmica e energética de uma edificação residencial climatizada com sistema de Fluxo de Refrigerante Variável -VRF Fernando Pozza

Abstract

O trabalho apresenta uma análise térmica e energética de uma edificação localizada na zona bioclimática 1, que compreende as cidades mais frias do Brasil. A análise foi desenvolvida com o auxílio do programa de simulação dinâmica de edificações EnergyPlus em que foi determinado o consumo anual de energia elétrica de toda a edificação existente, bem como o consumo do sistema HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) do tipo split com ciclo reverso. O sistema HVAC existente representa 42% do consumo total de energia elétrica da edificação sendo que o aquecimento totaliza 89% do consumo do sistema HVAC. A avaliação do conforto térmico dos ambientes climatizados da edificação foi realizada tendo como referência as zonas de conforto de inverno e de verão definidas pela ASHRAE Standard 55-2004. Os ambientes apresentaram um percentual de 7,6 % a 33% das horas de operação do sistema HVAC fora da zona de conforto térmico de inverno da ASHRAE, considerando somente a temperatura operativa. A partir dos resultados da simulação da edificação existente foram propostas modificações na envoltória e o uso de um sistema de ar condicionado com tecnologia VRF (fluxo de refrigerante variável) a fim de reduzir o consumo de energia pelo HVAC e o número de horas desconfortáveis. A utilização de vidros duplos de maior transmissividade, superfícies com cores de maior absortividade solar, lã de vidro nas paredes externas e internas duplas e placas de EPS (Poliestireno Expandido) no piso da edificação, apresentaram ótimos resultados, reduzindo o consumo total de energia elétrica em 18,2% e o consumo do sistema HVAC passou a representar apenas 29,6% do total de energia da edificação. Após o aprimoramento da edificação foram selecionadas, a partir de catálogos de fabricantes, as máquinas com tecnologia VRF que atendessem a máxima carga térmica entre os dias de projeto ou arquivo climático sob determinadas condições. Os resultados obtidos com o sistema VRF apresentaram uma redução de 32,8% sobre o consumo de energia do sistema de HVAC e de 9,3 % sobre o consumo total de energia elétrica da edificação quando comparado com um ar condicionado tradicional do tipo split. Com a melhoria na envoltória e o uso da tecnologia VRF para climatização o percentual de horas fora das zonas de conforto da ASHRAE foram menores que os 4% estabelecido pela norma, quando considerado a temperatura operativa. O sistema VRF foi simulado adaptando o módulo de simulação de serpentinas de expansão direta com compressores de velocidade variável, do EnergyPlus, para quatro faixas de capacidades distintas do compressor (60%, 80%, 100% e 120%) e para cada faixa foram inseridas as correlações de desempenho da capacidade e potência elétrica de aquecimento e refrigeração para diferentes condições de operação. Nas simulações foram considerados a perda de desempenho e o consumo elétrico para a operação de degelo com ciclo reverso para temperaturas externas inferiores a 7º C. As simulações com o sistema VRF acoplado a edificação comprovam a capacidade de economizar energia elétrica, além de apresentar o menor custo especifico da energia para aquecimento em relação aos sistemas radiantes.

This dissertation presents the thermal and energetic analysis of a building located in the bioclimatic zone 01, which comprises the coldness regions of Brazil. The analysis was developed using the software for dynamic simulation of buildings called EnergyPlus, where was determined the annual consumption of electricity throughout the existing building as well as the consumption with lighting, electrical equipments and the HVAC system. The existing HVAC system represents 42% of total consumption and the heating corresponds to 89% of the total energy consumption of the HVAC system. The evaluation of thermal comfort zones of building were conducted with reference to the comfort zones of winter and summer from the ASHRAE Standard 55-2004. The thermal zones presented a percentage in the range of 7.6% to 33% of occupation hours outside the boundaries of ASHRAE thermal comfort zone (winter) evaluating the operating temperature. Based on simulation results of the existing building, changes were proposed in the envelope and in the use of a heat pump air conditioning system with VRF technology (variable refrigerant flow) to reduce the energy consumption of the HVAC and the number of hours outside the comfort zone. The use of double layers glasses with high transmissivity and surfaces colored with high solar absorption, wool glass in the external and double internal walls and EPS sheets on the building floor, presented excellent results. The modification of the envelope decreased 18.2 % in the total consumption of electricity and the HVAC system represents only 29.6% of the total energy of the building. After the building improvement was selected from catalogs of manufacturers, machines with VRF technology that could meet the maximum heat load between design days or weather file. The results obtained with the VRF system showed a 32.8% reduction on energy consumption of HVAC system and 9.3% about the total consumption of electricity of the building compared to a traditional heat pump air conditioning system with single speed compressor. With the improvement in the envelope and the use of VRF system the percentage of hours outside the ASHRAE comfort zones were lower than the 4% target set by the standard. The VRF system was modeled from model: Multi-Speed Electric DX Air Coil, of the EnergyPlus, for four different capacities of the compressor (60, 80, 100 and 120%) and for each capacity range were included the performance correlation of heating and cooling capacity, the correlations of electrical power heating and cooling for different condition of operate and correlation of the fraction of part load operation for each machine selected. As the study was conducted to the cooler regions of Brazil, defrost was considered in the simulation with reverse cycle for operating temperatures below 7°C. The heating energy with heat pump VRF presents lower specific cost compared to radiant systems like radiant floor and radiators.