Implementation of desk fans in open offices in Brazil: proposition for optimizing thermal comfort and energy consumption

Abstract

O cenário de aquecimento global tem levado as nações a adotarem estratégias para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e a demanda de eletricidade. No Brasil, os edifícios são responsáveis por mais de 50% do consumo de eletricidade, e a refrigeração é um dos principais usos finais em edifícios comerciais. Uma forma de reduzir esse consumo é estender a temperatura de setpoint do ar-condicionado e adicionar sistemas de condicionamento pessoal (PCS) para manter o conforto térmico dos ocupantes. No Brasil, a predominância de altas temperaturas e a preferência por alta velocidade do ar apontam ventiladores de mesa como uma boa opção de PCS para espaços de escritório. Apesar de ser um equipamento acessível, a literatura apresenta desafios para implementação adequada desses equipamentos. Por conta disso, esta tese tem como objetivo avaliar a viabilidade e as melhor prática da aplicação de ventiladores de mesa em escritórios compartilhados no Brasil. A tese está estruturada em cinco artigos: (1) revisão bibliográfica; (2) avaliação de ventiladores para a seleção de equipamentos; (3) potencial de extensão da temperatura de setpoint nos climas brasileiros com o uso de ventiladores de mesa; (4) procedimentos atuais de operação de edifícios no Brasil e em outros países; (5) diretrizes de implementação de ventiladores com base em um estudo de campo. O primeiro artigo ajudou a entender as lacunas bibliográficas sobre este assunto e a definir os métodos da tese e dos artigos seguintes. O segundo artigo baseia-se em um estudo em câmara com 40 pessoas que avaliaram 4 ventiladores de mesa. Nesse estudo, a sensação do ar, a possibilidade de ajuste, o ruído e o custo foram identificados como os aspectos mais importantes para a seleção de um ventilador. O ventilador preferido pelos participantes foi o que proporcionava resfriamento evaporativo. Mas, seu custo foi considerado muito alto e por conta disso, outros dois outros ventiladores foram selecionados para a aplicação em campo do artigo 5. O terceiro artigo apresenta, por meio de simulação computacional, a extensão potencial da temperatura de setpoint quando ventiladores de mesa são associados ao modo-misto de operação em escritórios de 4 cidades brasileiras. Os resultados mostram que os ventiladores podem aumentar em até 30 pontos percentuais as horas de ocupação em conforto térmico e aumentar o consumo de energia em até 1,5 pontos percentuais. Os modelos de simulação e predição indicam que o setpoint máximo de 28 °C é aplicável em Brasília, Manaus e Fortaleza, e 30 °C em Florianópolis, com baixo risco de superaquecimento. No entanto, as entrevistas com operadores de edifícios apresentadas no artigo 4 indicam que o setpoint mais comum no Brasil é 23 °C em escritórios. A comparação com outros países mostrou que essa temperatura é também a mais comum no Canadá, que tem um clima mais ameno, enquanto em Cingapura e na Itália, que têm verões mais quentes, 26 °C é o principal setpoint de ar-condicionado. Portanto, não foi encontrada uma relação clara entre setpoint usado e o clima, o que indica que o modelo adaptativo não é aplicável à seleção de setpoint. O quinto artigo foi baseado em uma implementação de campo de ventiladores de mesa com incremento de temperatura de setpoint de 23 °C a 27 °C em Florianópolis. Esse estudo mostrou o impacto da expectativa térmica dos ocupantes sobre os possíveis limites de incremento do setpoint. Os ocupantes ficaram mais satisfeitos com ventiladores sob uma temperatura do ar 1 °C superior a inicial, indicando possibilidade de subir de 24 °C para 25 °C. Por outro lado, muitos fatores afetaram os resultados e pode-se concluir que uma intervenção mais gradual seria mais benéfica e poderia ter alcançado valores mais altos como os 26 °C identificados em estudos anteriores similares.

Abstract: The global warming scenario drives nations to adopt strategies to reduce greenhouse gas emissions and electricity demand. Buildings in Brazil account for more than 50% of the country's electricity consumption, and cooling is one of the main end-uses in commercial buildings. One way to reduce this consumption is to extend the setpoint temperature of cooling systems and use personal conditioning systems (PCS) to maintain occupants? thermal comfort. In Brazil, the prevalence of high temperatures and preference for high air speed indicate that desk fans would be a good fit for office spaces. Despite numerous research in recent years, there is still a lot to be understood about the best way to implement PCS in buildings. One of the biggest challenges is defining setpoint temperature limits for achieving both comfort and energy savings. Considering these possibilities and issues, this thesis aims to evaluate the feasibility and best practice of applying desk fans into shared workspaces in Brazil. The thesis is structured in five articles: (1) literature review; (2) assessment of fans for equipment selection; (3) potential expansion of setpoint temperature for Brazilian climates with the use of desk fans; (4) current operation procedures in Brazil and a comparison to other countries; (5) guidelines for implementation based on a field study. The first article helped to understand the gaps in the topic and to define the methods of the thesis and the following papers. The second article is based on a controlled study with 40 people assessing 4 desk fans. Air flow sensation, the possibility of adjustment, noise, and cost are the most important aspects for selecting a device. Users preferred the evaporative cooling fan, however, considered its cost-benefit not worth it. Therefore, two other fans, with similar rates were selected for the field application presented in paper 5. The third article presents, through computer simulation, the potential extension of setpoint temperature when desk fans are associated with mixed-mode operation in offices in Brazilian cities. Results show that fans can expand up to 30 % comfortable occupancy hours in open offices and increase energy consumption by up to 1.5 %. The simulation and prediction models indicate 28 °C setpoint is applicable for Brasilia, Manaus, and Fortaleza, and 30 °C for Florianopolis with a low risk of overheating. However, the interviews with building operators carried out for paper 4 indicate the most common setpoint in Brazil is 23 °C in office spaces. This temperature is the most common also in Canada, while in Singapore and Italy, which have warmer summers, 26 °C is the main cooling setpoint. Therefore, there was not found a clear relation between setpoints and climate, which indicates the adaptive concept not to be applicable to setpoint selection. The fifth paper was based on a field implementation of desk fans with setpoint temperature increment from 23 °C up to 27 °C in Florianopolis. Occupants? expectations was found to have a great impact on the applicable setpoint limits. Occupants felt more pleased with fans changing indoor temperature from 24 °C to 25 °C. However, many limitations hindered the experiment results and gradual changes are suggested for future implementation, associated with engaging operators and occupants, and monitoring thermal perception with timely surveys.