Aplicação da análise dimensional para estimativa do consumo de energia em edifícios de escritórios representativos de estoque edificado

Abstract

A formulação de políticas e esquemas de incentivo para redução do consumo de energia nos edifícios demandam conhecimento das características dos estoques edificados para entender como o seu desempenho energético pode ser melhorado. Esta pesquisa teve como objetivo desenvolver um método simplificado para estimativa do consumo de energia em edifícios, que facilite a comparação de edifícios reais com edificios representativos de uma categoria do estoque de construção existente. Uma amostra de 197 edifícios de escritórios da cidade de Florianópolis foi estudada, adotando a abordagem K-means como metodologia de classificação de 187 edifícios quanto à sua forma e dimensões e 179 edifícios quanto ao percentual de abertura das fachadas. Para o sistema de condicionamento de ar instalado, a análise baseou-se na frequência de ocorrência. Como resultado da análise é possível afirmar que os edifícios de escritório de Florianópolis podem ser representados por plantas de duas formas, em quatro tamanhos distintos: (a) quadrado pequeno, medindo 16 m x 15 m (considera tolerância para a diferença entre as duas medidas) e (b) quadrado grande, medindo 23 m x 23 m; (c) retângulo pequeno, medindo 15 m x 24 m e; (d) retângulo grande, medindo 15 m x 34 m. Os edifícios da categoria utilizam majoritariamente sistemas de condicionamento individual providos por aparelhos de janela ou split. O edifício de escritórios típico de Florianópolis possui 33% de área envidraçada na fachada norte, 30% na fachada sul, e 24% nas fachadas leste e oeste. Os edifícios representativos foram submetidos à simulação do consumo de energia por meio do software Energyplus. A análise dimensional foi aplicada para obtenção de uma equação para estimativa do consumo de energia do edifício, considerando parâmetros básicos comuns à rotina de trabalho de arquitetos e projetistas, como área, tempo de utilização do edifício, densidade deocupação, gabarito e percentual de área de fachada, área envidraçada e área do pavimento tipo. Os resultados da simulação termoenergética possibilitaram a validação da equação proposta. A equação forneceu uma estimativa do consumo total de energia de um edifício com diferença menor de 10% em relação ao consumo de energia obtido por meio de simulação computacional, independente da forma, tamanho, gabarito e tempo de uso do edifício, quando mantidas as demais condições de referência. Testes mostraram que a equação é passível de generalização mediante estudo de modelos dotados com outras características de envoltória e submetidos a outros climas. Assim, a análise dimensional se mostra uma ferramenta poderosa para estimar o consumo de energia de edifícios, com o potencial de fornecer valores de referência.

Abstract: The formulation of policies and incentive schemes to reduce energy consumption in buildings requires an understanding of the characteristics of existing building stocks to determine how their energy performance can be improved. This research aimed to develop a simplified method for estimating energy consumption in buildings, facilitating the comparison of real buildings with representative buildings of a category of existing construction stock. A sample of 197 office buildings in the city of Florianópolis was studied, adopting the K-means approach as the classification methodology for 187 buildings based on their shape and dimensions and 179 buildings based on the percentage of façade openings. For the installed air conditioning system, the analysis was based on the frequency of occurrence. As a result of the analysis, it is possible to state that the office buildings in Florianópolis can be represented by two shapes (square and rectangular), in four distinct sizes: (a) small square, measuring 16 mx 15 m (with a small tolerance for the difference between the two measurements) and (b) large square, measuring 23 mx 23 m; (c) small rectangle, measuring 15 m x 24 m and; (d) large rectangle, measuring 15 m x 34 m. Buildings in this category mostly use individual conditioning system through packaged terminal heat pumps. The typical office building in Florianópolis has 33% of the glazed area on the north facade, 30% on the south facade, and 24% on the east and west facades. Representative buildings were submitted to energy consumption simulation using the Energyplus software. Dimensional analysis was applied to obtain an equation for estimating the building's energy consumption, considering basic parameters common to the work routine of architects and designers, such as area, building usage time, occupancy density, building height, and percentage of facade area, glazed area, and typical floor area. The results of the thermo-energy simulation allowed the validation of the proposed equation. The equation provided an estimate of the total energy consumption of a building with a difference of less than 10% compared to the energy consumption obtained through computer simulation, regardless of the shape, size, height, and usage time of the building, when other reference conditions were maintained. Tests showed that the equation can be generalized through the study of models with other envelope characteristics and subjected to different climates. Thus, dimensional analysis proves to be a powerful tool for estimating the energy consumption of buildings, with the potential to provide reference values.