Proposta de edificação experimental com balanço energético nulo para a Universidade de Brasília

Abstract

O presente trabalho apresenta a proposta de uma edificação experimental com balanço energético nulo (net Zero Energy Building – nZEB) a ser erguida na Universidade de Brasília. Para cumprir com o balanço nulo, o edifício deverá ter o seu consumo de energia integralmente balanceado pela sua produção ao fim de um ano. Nessa primeira fase da proposta, o balanço foi verificado por meio de simulações computacionais que calcularam o consumo de energia e a capacidade de produção para um ano típico com as condições climáticas do local. Caso a construção venha a ser concretizada, o balanço deverá ser validado por meio das análises no medidor de energia elétrica do edifício. O prédio deverá servir como plataforma experimental de pesquisa para áreas tecnológicas da Universidade, proporcionando o aprimoramento de tecnologias de consumo sustentáveis junto à geração de energia por fontes renováveis, apesar de também cumprir com a sua função de ambiente para as atividades acadêmicas convencionais. O trabalho inicia-se com uma apresentação da justificativa para o tema e uma revisão da bibliografia relevante. A proposta arquitetônica é então apresentada e as condições climáticas locais analisadas. Após abordagem inicial, o estudo passa a enfatizar as questões energéticas do edifício. Propõe-se a utilização de dois sistemas de climatização: um baseado no ciclo de compressão a vapor com expansão indireta; e outro baseado na combinação do resfriamento evaporativo, resfriamento geotérmico e otimização da ventilação por meio de uma chaminé térmica. As soluções de climatização são analisadas juntamente com o impacto no conforto térmico e no consumo de energia. A análise energética do edifício foi realizada em programa computacional de referência mundial, o EnergyPlus, que avalia conforto, carga térmica e consumo de energia. Um processo de otimização é realizado, resultando numa envoltória de melhor desempenho térmico que demandará menor potência dos sistemas de climatização. Após o processo de otimização, o consumo do edifício foi estimado em 159,18 MWh/ano. Considerando a área total do edifício, esse consumo representa uma taxa de 174,73 MJ/m².ano (48,54 kWh/m².ano). A produção de energia foi abordada com base nos sistemas fotovoltaicos de conversão de energia solar em elétrica. A capacidade produtiva do sistema foi estimada em 196,55 MWh/ano por meio do software System Advisor Model. Dessa maneira, o balanço entre o consumo e a produção de energia no edifício apontaram para uma superação de 23,14% na meta do balanço energético nulo. Esse resultado é consequência principalmente do baixo consumo energético do edifício alcançado com medidas de otimização do comportamento térmico e lumínico do prédio. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

This document proposes the development of an experimental net zero energy building (nZEB) to be built at the University of Brasília. To comply with the zero balance, the building must have its energy consumption entirely balanced by its production after one year. In the first phase of the project, the balance was checked through computer simulations that calculated the energy consumption and the production capacity for one year with the typical climatic conditions of the place. If the construction becomes a reality, the balance should be validated through analysis in the power meter of the building. The building is supposed to serve as an experimental platform of research for technological areas of the University, providing the improvement of sustainable energy technologies together with the generation of energy from renewable sources, besides fulfilling its function of being an environment for academic activities. The paper begins with the presentation of the rationale for the topic and a review of the relevant literature. The architectural proposal is then presented and the local climatic conditions analyzed. After the initial approach, the study goes on to emphasize the thermal and energy issues of the building. Two HVAC solutions are proposed: One of them based on the vapor compression cycle with indirect expansion; and another one based on the combination of evaporative cooling, geothermal cooling and ventilation optimization by means of a thermal chimney. The HVAC solutions are analyzed together with the impact on the thermal comfort and on energy consumption. Then, the building is assessed in a computer program of energetic simulation, the EnergyPlus. An optimization process is performed, resulting in an envelope of better thermal performance that will require lower power of the HVAC systems. After the optimization process, the building consumption due to demand for lighting, equipment and HVAC systems was estimated at 159.18 MWh/year. Considering the total area of the building, this consumption represents a rate of 174.73 MJ/m².year (48.54 kWh/m².year). Energy production was addressed based on photovoltaic energy conversion systems, turning solar into electric energy. The productive capacity of the system was estimated at 196.55 MWh/year through the System AdvisorModel software. Thus, the balance between consumption and production of energy in the building pointed to an overrun of 23.14% towards the goal of zero energy balance. This result is mainly a consequence of the low energy consumption of the building achieved through optimization measures of luminal and thermal behavior of the building.