Simulação térmica transiente de paredes de edifícios : um modelo para análise e validação de programas comerciais

Abstract

A plataforma legislativa Nacional relativa ao desempenho energético dos edifícios, designada por Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios (SCE), tem por base a Diretiva 2002/91/CE (atualizada em 2010) e inclui o Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização em Edifícios (RSECE). Este regulamento obriga à simulação térmica dinâmica e detalhada de grandes edifícios novos utilizando softwares acreditados pela norma ANSI/ASHRAE 140-2004. Para os grandes edifícios existentes é obrigatória a realização de uma auditoria energética no prazo máximo de seis anos a qual, na maioria dos casos, também envolverá a referida simulação térmica. Prevê-se assim um grande crescimento na utilização de softwares comerciais pelo que haverá interesse em desenvolver uma ferramenta simplificada que permita a sua análise e validação, dado que aqueles utilizam modelos cuja precisão por vezes se desconhece. No trabalho presente foi desenvolvido um modelo, através do método dos volumes finitos, para a simulação térmica transiente de uma parede exterior dum edifício, o qual servirá de base para a criação de um programa de cálculo dinâmico das cargas térmicas num edifício simplificado, cujos resultados permitirão uma fácil comparação com os softwares comerciais. O modelo foi desenvolvido de raíz em ambiente MatLab e permite a definição de uma parede multi-camada, para além de incluir condições de fronteira avançadas, quer para a superfície interior, quer para a superfície exterior. Neste caso, é possível introduzir perfis horários para a temperatura exterior do ar e radiação solar incidente, sendo ainda consideradas as trocas de calor por radiação em separado com o chão e com o céu. Os resultados preliminares vieram demonstrar a importância da localização do isolamento na inércia térmica da parede, bem como a relevância da radiação solar incidente. Em algumas situações surgiram problemas de convergência numérica com origem nas condições-fronteira radiativas.

The Portuguese legislation for the Energy Performance and Certification of Buildings is based on the European directive 2002/91/EC (with a recast in 2010), and includes the Regulation for the Energy and Air-conditioning Systems of buildings (RSECE). The latter requires all new large buildings to validate a dynamic and detailed thermal simulation using software solutions qualified by the standard ANSI/ASHRAE 140-2004. Also, all existing large buildings must undergo an energy audit within six years and, in most cases, this will also result in the need for a detailed thermal simulation. Therefore, a large increase in the use of commercial software packages is expected in the near future, so that there is the need for a simplified tool that will allow, by comparison, a better understanding in the analysis and validation of these products. In this work, by using the finite volume methodology, a model was developed for the transient thermal simulation of a building wall. The work will be the basis for a software code that will enable the dynamic thermal-load evaluation of a simplified building. The results will allow an easy comparison with the commercial software packages. The model was developed in the MATLAB® environment, allows the introduction of a multilayer wall and includes advanced boundary-layer conditions, both for the interior and exterior wall surfaces. In the latter it is possible to use hourly profiles as inputs for the external air temperature and solar radiation. The heat-transfer by long wave radiation is separately treated from wall to floor and wall to sky. The preliminary results demonstrate the importance of the insulation location in the inertial behavior of the wall, as well as the incident solar radiation in the resulting heat-fluxes. Some numerical convergence problems arose, due to particular irradiative boundary-layer conditions that will require a detailed analysis.