Imobiliário — operação de um prédio de escritórios Modelo ao vivo

Você é o gerente de facilities de um prédio de escritórios de cinco andares com estrutura pesada de concreto, uma central de resfriamento na cobertura, uma bomba de calor e uma unidade de tratamento de ar central. A cada 15 minutos o modelo calcula o calor que flui entre o ar externo, o ar da sala, as superfícies e a massa do prédio (o método horário da ISO 13790), o que a central precisa fornecer, a eletricidade que consome, quanto CO₂ os ocupantes expiram e o conforto que sentem (PMV/PPD, ISO 7730). Apenas simulação educacional — os valores de tarifa e de prédio são ilustrativos, não constituem aconselhamento de engenharia nem financeiro.

O que vai aprender

Simulador

Tempo 0 min
00:00 · Temperatura do ar da sala 21,9 °C · Sensação térmica (PMV) -0,84 · Insatisfeitos previstos (PPD) 20% · CO₂ interno 450 ppm · Demanda do prédio (15 min) 0 kW · Demanda de ponta faturada 0 kW · Pessoas no prédio 0■Central desligadaCOP 0,0 · ⏱ 00:001F↓2F↓3F↓4F↓5F↓Ponto de ajuste de resfriamento 24,0 °CPonto de ajuste de aquecimento 21,0 °CHorário de partida da central 7,0 hAr externo 0 L/s · Fixa (vazão de projeto)🌡 16,9 °C → 21,9 °CTemperatura das superfícies 21,9 °CCO₂ 450 ppmDemanda do prédio (15 min) 0 kW│ = Demanda de ponta faturada 0 kWEletricidade consumida 0 kWhSensação térmica (PMV) -0,84Insatisfeitos previstos (PPD) 20%Pessoas no prédio 0
  • Confortável (PMV −0,5…+0,5)
  • Frio demais (PMV abaixo de −0,5)
  • Quente demais (PMV +0,5…+1)
  • Quente (PMV acima de +1)
  • Resfriamento
  • Aquecimento
  • Cerca de 12 pessoas

Controles

Temperatura do ar da sala até a qual a central resfria em modo ocupado. Baixe antes de as pessoas chegarem para pré-resfriar a estrutura; aumente durante o horário de ponta da tarifa.

Temperatura do ar da sala que a bomba de calor mantém em modo ocupado. Mantido pelo menos 1 °C abaixo do ponto de ajuste de resfriamento.

Hora do relógio em que começa o modo ocupado (a equipe chega a partir das 07:30, a ventilação a partir das 08:00, parada às 18:00). Antes das 08:00 os dampers de ar externo ficam fechados, então a central apenas aquece ou resfria o prédio. Fora do modo ocupado o prédio flutua entre 15 e 30 °C. O comando de partida fica retido: depois que a central já partiu no dia, alterar este valor não tem efeito até depois das 18:00.

Fixa = vazão de projeto para 250 pessoas (2125 L/s). Controlada pela demanda = 2,5 L/s por pessoa presente + 0,3 L/s por m². Purga = 100 % de ar externo (6000 L/s) — menor CO₂, maior custo de aquecimento ou resfriamento.

Quando o ar externo está mais frio que a sala e é preciso resfriar, traz mais ar externo (até 6000 L/s) em vez de acionar o compressor.

Limita a potência de resfriamento e de aquecimento a essa fração da capacidade. Reduz o pico elétrico, mas a sala sai da temperatura se a carga for maior.

Indicadores

Demanda de ponta faturada
0kW
normal
Insatisfeitos previstos (PPD)
20%
aviso
CO₂ interno
450ppm
normal
Demanda do prédio (15 min)
0kW
normal
Sensação térmica (PMV)-0,84
Temperatura do ar da sala21,9 °C
Temperatura operativa21,9 °C
Temperatura das superfícies21,9 °C
Temperatura da estrutura22,0 °C
Temperatura externa16,9 °C
Eletricidade consumida0 kWh
Pessoas no prédio0
Ar externo0 L/s
Resfriamento fornecido0 kW
Aquecimento fornecido0 kW
COP da central0,00
Ponto de ajuste não atingido em0,0 K

Tendência

Demanda de ponta faturada: — kW4000

Cenários de crise

Nível 1 · Multidão de seminário em um dia frio

É um dia frio de primavera (cerca de 0–6 °C). Às 13:00 chegam ao prédio cerca de 400 convidados para um seminário, que saem às 17:00 — o prédio terá cerca de 600 pessoas em vez de 210. Mantenha o CO₂ interno em 1000 ppm ou menos durante todo o dia de trabalho, sem desperdiçar energia nem aumentar o pico de demanda. A ventilação está em vazão fixa de projeto.

  • CO₂ interno ≤ 1000 ppm durante todo o dia de trabalho
  • Eletricidade consumida ≤ 1110 kWh
  • Demanda nunca acima de 120 kW

Nível 2 · Manhã de segunda-feira depois de um fim de semana frio

Segunda-feira, meia-noite, −7 °C em média. Durante todo o fim de semana o prédio ficou no regime reduzido de 15 °C, então a estrutura de concreto está a cerca de 14 °C. A equipe chega a partir das 07:30. A central está programada para partir às 07:00, como de costume. Deixe o prédio confortável a partir das 08:00 (PPD ≤ 10 %), mantendo sob controle o pico de demanda da manhã e a conta de energia.

  • PPD ≤ 10 % das 08:00 às 12:00
  • Demanda nunca acima de 195 kW
  • Eletricidade consumida ≤ 1760 kWh até as 14:00

Nível 3 · Pico de verão e a tarifa de demanda

Um dia de onda de calor: 24 °C ao amanhecer, 36 °C à tarde, sol forte. A tarifa de demanda é definida pela demanda de 15 minutos mais alta entre 13:00 e 17:00. Mantenha esse pico em 148 kW ou menos enquanto os ocupantes ficam confortáveis (PPD médio ≤ 9,5 %, nunca acima de 15 %) e a eletricidade do dia fica perto do que você usaria de qualquer forma. A central parte às 07:00 com ponto de ajuste de 24 °C.

  • Demanda ≤ 148 kW entre 13:00 e 17:00
  • PPD médio ≤ 9,5 % no horário de trabalho
  • PPD nunca acima de 15 %
  • Eletricidade consumida ≤ 1920 kWh

Base — o modelo por trás dos números

Todas as relações que o simulador usa, com a respetiva fonte. As constantes marcadas como pressupostos são calibrações ilustrativas.

O prédio como uma pequena rede térmica: o ar da sala e as superfícies internas não armazenam calor, a estrutura de concreto sim. O calor flui por cada ligação em proporção à diferença de temperatura.
air: H_ve(θo − θa) + H_is(θs − θa) + Φ_ia + Φ_HC = 0; surface: H_is(θa − θs) + H_w(θo − θs) + H_ms(θm − θs) + Φ_st = 0; mass: C_m·dθm/dt = H_ms(θs − θm) + H_em(θo − θm) + Φ_m[1][2]
Valores padrão para um prédio pesado: a estrutura armazena 260 kJ por kelvin para cada m² de piso e está fortemente acoplada às superfícies da sala. Metade do calor interno vai direto para o ar; o resto e o sol vão para as superfícies e a massa.
C_m = 260 000·A_f J/K, A_m = 3.0·A_f, A_tot = 4.5·A_f, H_is = 3.45·A_tot, H_ms = 9.1·A_m (W/K); Φ_ia = 0.5·Φ_int, Φ_m = (A_m/A_tot)(0.5·Φ_int + Φ_sol)[1][2]
Cada metro cúbico por segundo de ar externo carrega 1,2 kW por kelvin de diferença entre o interior e o exterior.
H_ve = ρc·(Q_oa + Q_inf), ρc = 1200 J/(m³K)[1]
O modelo de conforto de Fanger equilibra o calor que a pessoa produz com o que perde por convecção, radiação, suor e respiração. PMV 0 é neutro; ±0,5 é a faixa de conforto usual, em que cerca de 10 % ainda ficam insatisfeitos.
PMV = (0.303·e^(−0.036M) + 0.028)·[(M − W) − heat losses(θa, θ_r, v, p_a, I_cl)], θ_r ≈ θs; PPD = 100 − 95·exp(−0.03353·PMV⁴ − 0.2179·PMV²)[3][4]
Procedimento de taxa de ventilação para escritórios: uma parte por pessoa, outra por área de piso. O controle pela demanda acompanha as pessoas realmente presentes.
V_bz = R_p·N + R_a·A = 2.5 L/s·N + 0.3 L/s·m²·A; fixed = V_bz(design 250 people) = 2,125 L/s; DCV = V_bz(N present); purge = 100 % outdoor air (6 m³/s, the AHU limit)[5]
CO₂ em um prédio bem misturado: os ocupantes o acrescentam, o ar externo o dilui. O nível tende a C_out + N·G/Q com constante de tempo V/Q — cerca de uma hora e meia na vazão de projeto.
V·dC/dt = Q(C_out − C) + N·G, G = 0.0048 L/s; C_ss = C_out + N·G/Q, τ = V/Q[6][5][7]
Calor interno: pessoas, iluminação e equipamentos de escritório; o sol pelas janelas atinge o pico no início da tarde.
Φ_int = 75 W·N + lights 7 W/m² + plugs 10 W/m²·(0.25 + 0.75·N/250); Φ_sol = 100 kW·sin(π(h − 6)/13)·cloud[8]Premissa: o tamanho do prédio, a envoltória, as capacidades da central, as densidades de ganho de calor, a fração de Carnot, a potência dos ventiladores, os horários e o clima são valores ilustrativos para um escritório genérico; as relações de balanço térmico, conforto, ventilação e CO₂ são as publicadas.
Um chiller trabalha mais quanto mais quente está lá fora, uma bomba de calor quanto mais frio — ambos modelados como uma fração fixa da eficiência ideal (de Carnot).
COP_cool = 0.45·T_e/(T_c − T_e), T_e = 5 °C, T_c = θo + 12 K; COP_heat = 0.45·T_c/(T_c − T_e), T_c = 45 °C, T_e = θo − 8 K[9]Premissa: o tamanho do prédio, a envoltória, as capacidades da central, as densidades de ganho de calor, a fração de Carnot, a potência dos ventiladores, os horários e o clima são valores ilustrativos para um escritório genérico; as relações de balanço térmico, conforto, ventilação e CO₂ são as publicadas.
O medidor registra a potência média de cada 15 minutos; a tarifa de demanda cobra o valor mais alto, então um único quarto de hora ruim define a cobrança.
P = Q_cool/COP_cool + Q_heat/COP_heat + fans (6 kW + 1.5 kW per m³/s outdoor air) + lights + plugs; billing demand = max over 15-min intervals of P[11]Premissa: o tamanho do prédio, a envoltória, as capacidades da central, as densidades de ganho de calor, a fração de Carnot, a potência dos ventiladores, os horários e o clima são valores ilustrativos para um escritório genérico; as relações de balanço térmico, conforto, ventilação e CO₂ são as publicadas.
O pré-resfriamento armazena «frio» no concreto durante a noite, quando o chiller é eficiente e a demanda é baixa; à tarde a estrutura fria absorve calor que a central teria de remover de outra forma.
cool the mass before the peak (θm ↓), then raise the setpoint: H_ms(θs − θm) absorbs part of the afternoon gain instead of the plant[10]
Partida otimizada: quanto mais fria a estrutura e o tempo, mais longa a recuperação do regime reduzido, então a central precisa partir tanto mais cedo.
recovery time after setback grows with (θ_set − θm) and with colder weather; plant start = occupancy − recovery time[12][1]
Outras constantes de operação usadas pelo modelo.
5,000 m² office, 3 m storeys · windows 800 m² at U 1.8 (H_w 1,440 W/K), opaque envelope 1,000 W/K, infiltration 0.1 ACH · cooling capacity 350 kW, heat pump 300 kW (thermal) · unoccupied limits 15/30 °C · occupancy 07:30–18:30, attendance ~ N(85 %, 5 %) · outdoor temperature cosine + N(0, 0.8 K) hourly · RH 50 %, 0.1 m/s, 1.2 metPremissa: o tamanho do prédio, a envoltória, as capacidades da central, as densidades de ganho de calor, a fração de Carnot, a potência dos ventiladores, os horários e o clima são valores ilustrativos para um escritório genérico; as relações de balanço térmico, conforto, ventilação e CO₂ são as publicadas.

Aleatoriedade: um gerador mulberry32 com semente; distribuições usadas — uniforme, exponencial (inversa da CDF), normal (Box–Muller), Poisson (Knuth). A semente é apresentada e compartilhável.

Fontes

  1. ISO 13790:2008 — Energy performance of buildings — Calculation of energy use for space heating and cooling (simple hourly method, 5R1C network, Annex C; Table 12 mass classes) — International Organization for Standardization, 2008
  2. Modelica Buildings Library — Buildings.ThermalZones.ISO13790 (Zone5R1C: h_is = 3.45, h_ms = 9.1 W/m²K, gain split; mass classes, e.g. Data.Heavy: 260 000 J/(K·m²), mass area factor 3.0) — Lawrence Berkeley National Laboratory
  3. ISO 7730:2005 — Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices (Annex D program, Table D.1 check values) — International Organization for Standardization, 2005
  4. ANSI/ASHRAE Standard 55 — Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy (PMV −0.5…+0.5 comfort zone, PPD < 10 %) — ASHRAE, 2020
  5. ANSI/ASHRAE Standard 62.1 — Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality (Table 6-1, office space: R_p = 5 cfm (2.5 L/s) per person, R_a = 0.06 cfm/ft² (0.3 L/s·m²), 5 people / 1000 ft²; demand-controlled ventilation) — ASHRAE, 2022
  6. A. Persily, L. de Jonge — Carbon dioxide generation rates for building occupants (office occupants ≈ 0.0048 L/s per person; steady-state ΔC = G/Q) — Indoor Air 27(5):868–879, 2017
  7. 실내공기질 관리법 시행규칙 별표 2 — 실내공기질 유지기준 (이산화탄소 1,000 ppm 이하) — 대한민국 환경부 (국가법령정보센터)
  8. ASHRAE Handbook — Fundamentals, Chapter 18 Nonresidential Cooling and Heating Load Calculations (Table 1: moderately active office work, sensible ≈ 75 W per person) — ASHRAE, 2021
  9. Y. A. Çengel, M. A. Boles — Thermodynamics: An Engineering Approach (reversed Carnot cycle: COP_R = T_L/(T_H − T_L), COP_HP = T_H/(T_H − T_L)) — McGraw-Hill, 9th ed., 2019
  10. J. E. Braun — Load Control Using Building Thermal Mass (pre-cooling and setpoint adjustment to shift and reduce peak cooling demand) — ASME Journal of Solar Energy Engineering 125(3):292–301, 2003
  11. J. McLaren, S. Mullendore — Identifying Potential Markets for Behind-the-Meter Battery Energy Storage: A Survey of U.S. Demand Charges (demand charge on the highest metered interval demand, kW) — NREL / Clean Energy Group, NREL/BR-6A20-68963, 2017
  12. J. E. Seem, P. R. Armstrong, C. E. Hancock — Algorithms for predicting recovery time from night setback (optimal start) — ASHRAE Transactions 95(2), 1989

Quem faz isso profissionalmente

Modelo educativo — não para decisões operacionais. Os locais reais calibram cada constante para seu próprio equipamento e dados.