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Publicação
Unlocking and understanding the demand flexibility in office buildings
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Os combustíveis fósseis representam mais de 80% de todo o consumo de energia primária em todo o mundo. A sua utilização leva à emissão de diferentes gases para a atmosfera. Os gases de efeito de estufa são esses gases emitidos por essas fontes e ao se acumularem na atmosfera causam o efeito de estufa e contribuem para o aquecimento global. A preocupação mundial sobre este tema tem-se notado no investimento crescente em energias renováveis e/ou não poluentes. O problema está associado com a natureza de muitas destas fontes renováveis e com a sua integração, que ao serem variáveis no tempo, incontroláveis e de ainda difícil previsão, pode levar ao desequilíbrio do balanço energético. Para remediar essa situação é necessário que a rede eléctrica sofra algumas alterações por forma a torná-la mais atenta e reactiva a qualquer desequilibro que nela ocorra. Essa busca é então de uma rede elétrica mais robusta, mais inteligente na reacção a esses eventos desequilibrados, mais eficiente, comunicativa e segura. Por forma a garantir este balanço, as redes eléctricas têm procurado aumentar a flexibilidade operacional através de várias soluções. Entre elas, o corte parcial da produção de energias renováveis como a energia eólica ou o economic load dispatch em centrais de reserva. A gestão do lado do consumo é outra solução que tem vindo a ser estudada por forma a resolver esses problemas crescentes do lado da produção. Entre as soluções existe a resposta de consumo (demand response), eficiência energética e mais recentemente a flexibilidade do lado do consumo (demand flexibility). Quando for possível comunicar bi-direcionalmente na rede eléctrica (solução ainda em desenvolvimento), vai ser possível estabelecer contacto instantâneo e em tempo real entre o sistema produtor e os diferentes tipos de consumidores. A utilização dos edifícios é cada vez mais vista como uma solução integrada e muito significante, já que representam em média na europa 40% do consumo de energia final. Se o objectivo é assegurar a segurança e o controlo inteligente da rede eléctrica, então o estudo da flexibilidade em edifícios tem que ser uma solução prioritária. Mais especificamente, os edifícios comerciais representam 40% do consumo total nos edifícios, e dentro dos edifícios comerciais, os edifícios educacionais e de escritórios representam 40% do consumo de energia. Alem destes valores, os edifícios de escritórios e os educacionais apresentam semelhanças muito significativas ao nível das fontes de consumo, organização dos espaços e utilização. Mesmo dentro destas parecenças entre estes dois grupos, dentro de cada um as semelhanças são claras, com qualquer edifício de escritório apresentar aproximadamente as mesmas características referidas atrás. Por isso, nos últimos anos, a flexibilidade do lado do consumo (demand flexibility) em edifícios deste tipo tem sido a ser estudada e apresentada de diversas formas, habitualmente através de formulações matemáticas. Esta flexibilidade é a capacidade de um edifício alterar o seu consumo, aumentando ou diminuindo-o, sempre que a rede eléctrica precisar. Através de uma comunicação instantânea, a rede conhece o estado de flexibilidade dos edifícios, escolhe os que precisa para a situação em particular e informa os edifícios escolhidos. Dependendo do tipo de flexibilidade de cada um, a sua aglomeração e gestão pode ser fulcral para este tipo que desequilíbrios que as fontes renováveis e variáveis tanto, infortutamente promovem. Porque os edifícios de escritórios têm os seus propósitos e utilizações bem definidos, este tipo de solução tem que ser estudada de uma forma completa e consciente. Por isso, num evento de flexibilidade o objectivo não é só garantir que os edifícios mudem o consumo de acordo com o que a rede precisa, mas também que mantenham os padrões de conforto para que a produtividade dos seus trabalhadores não seja afectada. Esta tese pretende estudar estes dois lados, não só a variação do consumo energético mas também o consumo dos utilizadores do espaço. Como esta solução é bastante complexa e o seu estudo ainda está muito no início, a dispersão é grande e a sua própria definição se confunde com outras soluções como o demand response. Além disso, a forma de ser apresentado ainda aparenta não estar definida. Dos estudos que existem, muitos apresentam formulações matemáticas e de programação das comunicações entre o sistema de HVAC, o edifício e a rede eléctrica. Estudos recentes começaram a testar estes eventos de demand flexibility através de simulações de diferentes edifícios em diferentes climas. Resultados experimentais existem muito poucos. Esta tese de mestrado pretende não só fazer uma revisão bibliográfica sobre o estado actual das redes eléctricas, mas também apresentar as soluções existentes e futuras para resolver estes problemas de desequilíbrios, nos dois lados da equação. Depois focando-se nos edifícios de escritórios e por fim nos eventos de demand flexibility. Como não existe uma definição e apresentação consensual, nesta tesa ambas são propostas. Depois disso é vez de se perceber que tipo de fontes podem ser mais flexíveis e como é que a energia é transferida dentre deste tipo de sistemas que são os edifícios. Antes dos casos de estudo, o conforto é estudado nas variáveis utilizadas para a sua medição. Num primeiro caso prático estudou-se o efeito de diferentes tipos de construções num evento bastante simples de flexibilidade do lado do consumo. O objectivo era perceber o potencial de diferentes construções na flexibilidade energética de um edifício. Para isso foram utilizadas duas salas na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, uma com isolamento térmica e outra sem e foram comparadas as curvas de temperatura em ambos. Como o objectivo principal da tese era testar um evento real, num edifício real de escritórios, durante o horário de trabalho e sem comprometer o conforto ou a produtividade dos trabalhadores, foi escolhido um edifício que pudesse oferecer essas condições. O segundo caso de estudo foi feito na Câmara Municipal do Seixal, num espaço aberto de escritórios. Este tipo de eventos são caracterizados por uma fase em que o edifício aumenta ou diminui o seu consumo do HVAC até que os limites de conforto sejam atingidos e nessa altura volta ao ponto em que estava de consumo no inicio do evento. Neste caso os ventiloconvectores foram desligados durante um período e ligados novamente. Várias variáveis foram medidas, entre elas, os consumos dos ventiloconvectores, dos equipamentos e iluminação, a temperatura do ar, das superfícies, humidade relativa e concentrações de CO2. Assim era possível depois perceber como tinha corrido o evento. Através da proposta de metodologia de estudo e apresentação deste tipo de eventos, cinco unidades foram distinguidas e usadas para caracterizar o mesmo. No evento principal, a duração da primeira parte foi de 94 min e o tempo de recuperação foi de 58 min. Tanto a taxa de subida como descida do consumo foi de 335 W/min e a quantidade máximo de potência que foi reduzida foi de 670 W. Uma extrapolação feita sobre estas duas unidades para o sistema AVAC completo determinou valores aproximados para ambas a rondar os 9 kW e os 4.5 kW/min, respectivamente. Em relação ao conforto, este foi maioritariamente assegurado durante a maior parte do evento, sendo que apenas duas zonas ultrapassaram 0.4ºC acima do limite máximo da temperatura operative, indicada para medir o conforto térmico, e a média dessa temperatura para o espaço todo só ultrapassou, por um curto espaço de tempo, cerca de 0.1ºC desse limite. No final foi apresentada uma simulação em EnergyPlus que valida os valores médicos experimentalmente para a temperatura interior do ar, a temperatura operativa e a concentração de CO2.
The rising integration of variable, uncontrollable and hardly predictable renewable energy sources into the energy generation mix of many countries around the world has been increasing the need for solutions that could help the electric power grids maintain the supply and demand balance, at any time. In recent years, demand flexibility in buildings has been studied and presented in different forms, mainly through mathematical formulations. On a demand flexibility event, the goal is not only to change consumption towards helping the grid, but also maintain comfort uninterrupted. Therefore, the grid’s side and the users’ comfort side were two areas that had to be fully studied. Recent studies have started testing these events through simulation in different buildings and climates, but few have empirically tested them. This thesis intended to study the effect of different constructions in a more rudimentary demand flexibility event, but its main goal was to test a demand flexibility event on a real office building, during working hours and without compromising the comfort and the workability of the people in the space. From the proposed methodology of how to study and present a demand flexibility event, five units were stated and used to characterize the event. As a result, the ramp duration of the main event was 94 min and the recovery time 60 min. Both ramp-rate were the same with an increase or a decrease of 335 W/min, and 670 W of actual power decrease was reached. An extrapolation regarding the actual power decrease and the power ramp-rates determined values more close to reality around 9 kW and 4.5 kW/min, respectively. Regarding the comfort side, thermal comfort was mostly assured on average throughout the open space, with two zones being over 0.4 ºC and the average of the space being 0.1 ºC (for a very short period of time) over the operative temperature upper limit of 26 ºC. In the end a simulation of the event was done to validate the empirical results.
The rising integration of variable, uncontrollable and hardly predictable renewable energy sources into the energy generation mix of many countries around the world has been increasing the need for solutions that could help the electric power grids maintain the supply and demand balance, at any time. In recent years, demand flexibility in buildings has been studied and presented in different forms, mainly through mathematical formulations. On a demand flexibility event, the goal is not only to change consumption towards helping the grid, but also maintain comfort uninterrupted. Therefore, the grid’s side and the users’ comfort side were two areas that had to be fully studied. Recent studies have started testing these events through simulation in different buildings and climates, but few have empirically tested them. This thesis intended to study the effect of different constructions in a more rudimentary demand flexibility event, but its main goal was to test a demand flexibility event on a real office building, during working hours and without compromising the comfort and the workability of the people in the space. From the proposed methodology of how to study and present a demand flexibility event, five units were stated and used to characterize the event. As a result, the ramp duration of the main event was 94 min and the recovery time 60 min. Both ramp-rate were the same with an increase or a decrease of 335 W/min, and 670 W of actual power decrease was reached. An extrapolation regarding the actual power decrease and the power ramp-rates determined values more close to reality around 9 kW and 4.5 kW/min, respectively. Regarding the comfort side, thermal comfort was mostly assured on average throughout the open space, with two zones being over 0.4 ºC and the average of the space being 0.1 ºC (for a very short period of time) over the operative temperature upper limit of 26 ºC. In the end a simulation of the event was done to validate the empirical results.
Descrição
Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Flexibilidade do lado do consumo Edifícios de escritórios Conforto interior Simulações energéticas em edifícios Energy plus Caso de estudo com parte experimental Teses de mestrado - 2017