Study, modeling and simulation of solar façade for heating and ventilation | Estudo, modelação e simulação de fachada solar de aquecimento e ventilação

Production and use of renewable energy allied to a producer-consumer paradigm can become a synonym of sustainability (adequate production to energy demand, with consequent reduction of waste), through greater energy efficiency (production and consumption proximity means less losses in energy transport) as well as higher security on supply (the energy produced is endogenous). In addition, the cost of producing renewable energy has decreased over time: the technology is well known, the devices are increasingly affordable, and they are also increasingly energy efficient. This approach results in a better environment, with less air pollution and greener cities. Thermal solar façades are devices that can be structurally integrated into buildings allowing the capture of relevant amounts of energy which is currently wasted. The development of systems which predict the behavior of these devices as project design aids, analysis of technical and economic feasibility and assistance to the operation of the systems are important because they value these devices (assigning them other visibility), and also allowing to improve their performance. This work intends to highlight the potential and importance of these innovative, more complex, versatile, and efficient technologies for capturing and using solar energy. Thus, field work was carried out (June 2019 to March 2021) consisting in the installation of a data acquisition infrastructure making possible to collect information which characterizes a hybrid solar thermal façade for air heating, water heating and ventilation. The data obtained allowed to demonstrate maximum daily energy production capabilities in the order of 466 kWh for the active-hybrid mode, 421 kWh for the active-hybrid mode with the AHU in low speed, 391 kWh in the passive-hybrid mode, 387 kWh for the operating mode where only water circulates on the façade, and, finally, 55 kWh for the mode where only air circulates on the façade. The maximum global yields (entire façade) assessed for the different operating modes are of 36.9% for the water-only mode; 5.6% for air-only mode and 40.2% for passive-hybrid mode. Air renewal maximum recorded values are of approximately 206 m³/hour and 2,403 m³/day for the passive-hybrid mode and 275 m³/hour and 3,485 m³/day for the air-only mode. These values are only exceeded by the 1,120 m³/hour and 25,111 m³/day registered in hybrid-active mode, but this performance is attained due to energy consumption resulting from the operation of the AHU. It is estimated that annually the device generates savings of CO₂ emissions in the order of 17.2 tons when compared to a system that produces the same amount of energy from an electrical source. From the data collected it was possible to develop artificial neural networks (ANN) models that allow characterizing the device performance. These networks proved to be quite capable and accurate in predicting the behavior of the solar thermal system, demonstrating an energy accumulation maximum error of 6.6% for the air circuit in hybrid mode on cloudy days, and a minimum error of 0.2 % for water only mode on clear sky days. The models created were later used to simulate the performance of the façade. The developed work also demonstrates that it is possible to characterize a large device in production (although this factor makes the analysis quite difficult).

A produção e o uso de energias renováveis aliadas a um paradigma produtor-consumidor podem tornar-se sinónimo de sustentabilidade (adequação da produção à demanda energética, com consequente redução do desperdício), através de uma maior eficiência energética (a proximidade de produção e consumo significa menos perdas no transporte de energia) bem como de uma maior segurança no abastecimento (a energia produzida é endógena). Complementarmente, o custo de produção da energia renovável tem-se tornado cada vez mais reduzido com o passar do tempo: a tecnologia é bem conhecida, os dispositivos são financeiramente cada vez mais acessíveis e são também cada vez mais eficientes energeticamente. Esta abordagem resulta num melhor meio-ambiente, com menos poluição atmosférica e cidades mais ecológicas. As fachadas solares térmicas são dispositivos que, podendo ser integrados estruturalmente em edifícios permitem capturar quantidades relevantes de energia que atualmente é desperdiçada. O desenvolvimento de sistemas preditivos do comportamento destes dispositivos como auxiliares de projeto, análise de viabilidade técnica e económica e de assistência à operação dos sistemas são importantes porque valorizam estes dispositivos (dando-lhes outra visibilidade), permitindo ainda melhorar o seu desempenho. Este trabalho pretende realçar o potencial e importância destas novas tecnologias mais complexas, versáteis e eficientes de captura e utilização de energia solar. Para tal foi levado a cabo um trabalho de campo (junho de 2019 a março de 2021) que consistiu na instalação de uma infraestrutura de aquisição de dados, tornando possível a recolha de informação que caracterizasse uma fachada térmica solar híbrida para aquecimento de ar, aquecimento de água e ventilação. Os dados obtidos permitiram demonstrar capacidades diárias de produção energética máximas na ordem dos 466 kWh para o modo híbrido-ativo, 421 kWh no modo híbridoativo com a UTA em regime de baixa velocidade, 391 kWh no modo híbrido passivo, 387 kWh para o modo de funcionamento onde só circula água na fachada, e, finalmente, 55 kWh no modo onde circula apenas ar na fachada. Os rendimentos máximos globais (totalidade da fachada) registados para os diferentes modos de funcionamento situam-se nos 36,9% para o modo só água; 5,6% para o modo só ar e 40,2% para o modo híbrido-passivo. Foram ainda registados valores de renovação de ar (máximos) de cerca de 206 m³/hora e 2.403 m³/dia para o modo híbrido-passivo e de 275 m³/hora e 3.485 m³/dia para o modo só ar. Estes valores são superados pelos 1.120 m³/hora e 25.111 m³/dia registados em modo híbrido-ativo, mas com consequente consumo de energia resultante da operação da UTA. Estima-se que anualmente o dispositivo gere uma poupança de emissões de CO₂ na ordem das 17,2 toneladas, quando comparado com um sistema que produza a mesma quantidade de energia a partir de uma fonte elétrica. A partir dos dados recolhidos foi possível desenvolver modelos de redes neuronais artificiais (RNA) que permitem caracterizar o desempenho do dispositivo. Estas redes demonstraram-se competentes e precisas na previsão do comportamento do sistema solar térmico, demonstrando um erro máximo do acúmulo de energia de 6,6% para o circuito de ar no modo híbrido em dias nublados, e um erro mínimo de 0,2% para o modo só água em dias de céu limpo. Os modelos criados foram posteriormente usados para simular o desempenho da fachada. O trabalho desenvolvido demonstra ainda ser possível caracterizar um dispositivo de grandes dimensões em plena utilização (apesar deste fator dificultar largamente a análise).

Programa Doutoral em Sistemas Energéticos e Alterações Climáticas