Imobiliário — operação de um edifício de escritórios Modelo em tempo real

É o gestor de instalações de um edifício de escritórios de cinco pisos com uma estrutura pesada de betão, uma central de arrefecimento 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 exterior, o ar da sala, as superfícies e a massa do edifício (o método horário da ISO 13790), o que a central tem de fornecer, a eletricidade que consome, quanto CO₂ os ocupantes expiram e o conforto que sentem (PMV/PPD, ISO 7730). Apenas simulação educativa — os valores de tarifa e de edifício 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 interior 450 ppm · Procura do edifício (15 min) 0 kW · Potência de ponta faturada 0 kW · Pessoas no edifício 0■Central desligadaCOP 0,0 · ⏱ 00:001F↓2F↓3F↓4F↓5F↓Ponto de ajuste de arrefecimento 24,0 °CPonto de ajuste de aquecimento 21,0 °CHora de arranque da central 7,0 hAr exterior 0 L/s · Fixa (caudal de projeto)🌡 16,9 °C → 21,9 °CTemperatura das superfícies 21,9 °CCO₂ 450 ppmProcura do edifício (15 min) 0 kW│ = Potência de ponta faturada 0 kWEletricidade consumida 0 kWhSensação térmica (PMV) -0,84Insatisfeitos previstos (PPD) 20%Pessoas no edifício 0
  • Confortável (PMV −0,5…+0,5)
  • Demasiado fresco (PMV abaixo de −0,5)
  • Demasiado quente (PMV +0,5…+1)
  • Quente (PMV acima de +1)
  • Arrefecimento
  • Aquecimento
  • Cerca de 12 pessoas

Controlos

Temperatura do ar da sala até à qual a central arrefece em modo de ocupação. Baixe-a antes de as pessoas chegarem para pré-arrefecer a estrutura; suba-a durante a ponta tarifária.

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

Hora do relógio em que começa o modo de ocupação (o pessoal chega a partir das 07:30, a ventilação a partir das 08:00, paragem às 18:00). Antes das 08:00 os registos de ar exterior ficam fechados, pelo que a central apenas aquece ou arrefece o edifício. Fora do modo de ocupação o edifício flutua entre 15 e 30 °C. O comando de arranque fica retido: depois de a central ter arrancado nesse dia, alterar este valor não tem efeito até depois das 18:00.

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

Quando o ar exterior está mais frio do que a sala e é preciso arrefecer, admite mais ar exterior (até 6000 L/s) em vez de pôr o compressor a trabalhar.

Limita a potência de arrefecimento e de aquecimento a esta fração da capacidade. Reduz o pico elétrico, mas a sala deriva se a carga for maior.

Indicadores

Potência de ponta faturada
0kW
normal
Insatisfeitos previstos (PPD)
20%
aviso
CO₂ interior
450ppm
normal
Procura do edifício (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 exterior16,9 °C
Eletricidade consumida0 kWh
Pessoas no edifício0
Ar exterior0 L/s
Arrefecimento fornecido0 kW
Aquecimento fornecido0 kW
COP da central0,00
Ponto de ajuste não atingido em0,0 K

Tendência

Potência de ponta faturada: — kW4000

Cenários de crise

Nível 1 · Multidão de um seminário num dia frio

É um dia frio de primavera (cerca de 0–6 °C). Às 13:00 chegam ao edifício cerca de 400 convidados para um seminário e saem às 17:00 — o edifício terá cerca de 600 pessoas em vez de 210. Mantenha o CO₂ interior em 1000 ppm ou menos durante todo o dia de trabalho, sem desperdiçar energia nem subir o pico de procura. A ventilação está em caudal fixo de projeto.

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

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

Segunda-feira, meia-noite, −7 °C em média. Durante todo o fim de semana o edifício esteve mantido no regime reduzido de 15 °C, pelo que a estrutura de betão está a cerca de 14 °C. O pessoal chega a partir das 07:30. A central está programada para arrancar às 07:00, como habitualmente. Torne o edifício confortável a partir das 08:00 (PPD ≤ 10 %), mantendo sob controlo o pico de procura da manhã e a fatura de energia.

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

Nível 3 · Pico de verão e o encargo de potência

Um dia de onda de calor: 24 °C ao amanhecer, 36 °C à tarde, sol forte. O encargo de potência da tarifa é definido pela procura de 15 minutos mais alta entre as 13:00 e as 17:00. Mantenha esse pico em 148 kW ou menos enquanto os ocupantes se mantêm confortáveis (PPD médio ≤ 9,5 %, nunca acima de 15 %) e a eletricidade do dia fica perto do que gastaria de qualquer forma. A central arranca às 07:00 com um ponto de ajuste de 24 °C.

  • Procura ≤ 148 kW entre as 13:00 e as 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 edifício como uma pequena rede térmica: o ar da sala e as superfícies interiores não armazenam calor, a estrutura de betão 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 normais para um edifício pesado: a estrutura armazena 260 kJ por kelvin por cada m² de piso e está fortemente acoplada às superfícies da sala. Metade do calor interno vai diretamente para o ar; o resto e o sol acabam nas superfícies e na 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 exterior transporta 1,2 kW por cada 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 uma pessoa produz com o que perde por convecção, radiação, suor e respiração. PMV 0 é neutro; ±0,5 é a banda de conforto habitual, onde cerca de 10 % ainda estão 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 controlo pela procura 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 num edifício bem misturado: os ocupantes acrescentam-no, o ar exterior dilui-o. O nível tende para C_out + N·G/Q com uma constante de tempo V/Q — cerca de uma hora e meia ao caudal 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 equipamento de escritório; o sol através das 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]Pressuposto: a dimensão do edifício, a envolvente, as capacidades da central, as densidades de ganhos 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 estiver o exterior, 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]Pressuposto: a dimensão do edifício, a envolvente, as capacidades da central, as densidades de ganhos 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 contador regista a potência média de cada 15 minutos; o encargo de potência fatura o valor mais alto, pelo que um único quarto de hora mau define o encargo.
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]Pressuposto: a dimensão do edifício, a envolvente, as capacidades da central, as densidades de ganhos 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-arrefecimento armazena «frio» no betão durante a noite, quando o chiller é eficiente e a procura é baixa; à tarde a estrutura fresca absorve calor que a central teria de outro modo de remover.
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]
Arranque ótimo: quanto mais fria a estrutura e o tempo, mais longa a recuperação do regime reduzido, pelo que a central tem de arrancar 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 funcionamento 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 metPressuposto: a dimensão do edifício, a envolvente, as capacidades da central, as densidades de ganhos 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 partilhável.

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 isto profissionalmente

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