Resumo Este trabalho desenvolveu uma metodologia para avaliar a influência do contexto urbano na radiação solar para geração de energia com uso de módulos fotovoltaicos na envoltória de edifícios verticais. A metodologia foi baseada em simulações computacionais pelos programas Diva-for-Rhino e EnergyPlus. Duas cidades brasileiras com diferentes tipos de clima foram selecionadas para o estudo: Florianópolis e Fortaleza. Foram definidos diferentes contextos urbanos considerando edifícios com alturas iguais (Elevação Uniforme) e alturas variadas (Elevação Aleatória). Através da análise de radiação solar na superfície para aplicação dos módulos fotovoltaicos analisou-se a influência do sombreamento do entorno na geração de energia de diferentes tipos de edifícios de escritório. Na sequência, foram desenvolvidas estratégias para a aplicação dos módulos fotovoltaicos na envoltória através da análise detalhada da radiação solar disponível. Os resultados mostraram que o contexto uniforme é uma boa opção para edifícios com até 6 pavimentos, onde a área com maior potencial para geração de energia foi a coberta. Os contextos aleatórios apresentaram-se como melhor opção para aplicação de módulos fotovoltaicos nas fachadas dos edifícios mais altos.

Abstract In this work a methodology was developed to evaluate the influence of urban context on the usable solar radiation for energy generation through photovoltaic modules on building envelope. The methodology is based on computer simulations using the programs Diva-for-Rhino and EnergyPlus. Two Brazilian cities with different climate were selected for the study: Florianopolis and Fortaleza. Different urban contexts were defined considering buildings with uniform height (Uniform Context) and random height (Random Context). Through the analysis of solar radiation on the building envelope the influence of shading on energy generation for the different office building types was determined. In addition, strategies for PV application on building envelope through the detailed analysis of available solar radiation were developed. The results showed that within an uniform context PV modules are a good option for energy generation. For buildings up to 6 floors enough energy can be generated to achieve an equalized annual energy balance. For this context the area with highest potential for energy generation is the roof. For the random contexts the facades of the high-rise buildings are an interesting option for PV application as well.

Esta pesquisa tem o objetivo de avaliar o potencial de transformação de edifícios de escritório brasileiros em edifícios energia zero (EEZ) em diferentes climas. O estudo foi baseado em simulações computacionais, e o desenvolvimento do modelo foi dividido em três etapas. A primeira etapa consistiu na avaliação do caso protótipo (edifício referencial), que representa uma tipologia de edifícios de escritórios no Brasil. A segunda etapa consistiu no desenvolvimento do caso otimizado (edifício com baixo consumo de energia) de acordo com o regulamento de eficiência energética brasileiro. O comportamento dos dois casos foi determinado e comparado com o cálculo do balanço térmico e energético do edifício. Finalmente, o caso energia zero foi obtido por meio da aplicação de tecnologias solares (BIPV) na edificação. As simulações computacionais foram realizadas através dos programas EnergyPlus e Daysim para Fortaleza, CE, e Florianópolis, SC, cidades localizadas em diferentes zonas climáticas do Brasil. Os resultados mostraram que, em Fortaleza, mais módulos fotovoltaicos foram necessários devido ao maior consumo de energia, principalmente com refrigeração. O uso do regulamento de eficiência energética proporcionou redução no consumo de aproximadamente 50%. Porém, com o uso da janela fotovoltaica, outras estratégias foram necessárias para atingir o EEZ.

This research work aims to evaluate the potential to transform Brazilian office buildings into Zero Energy Buildings (ZEB) in different climates, based on computer simulations. The development of the model was divided into three steps. The first step was the evaluation of the prototype case (reference building), which represents the current building typology of Brazilian office buildings. The second step was the development of an optimal case (low energy building) according to the Brazilian energy efficiency labelling system. The performance of both cases was determined and compared by calculating the building's heat balance and energy balance. Finally, the ZEB case was obtained by the application of solar energy technologies (BIPV) in the building. The simulations were carried out with the computer programs EnergyPlus and Daysim for two cities in two different climatic zones of Brazil: Fortaleza/CE and Florianopolis/SC. The results showed that, in Fortaleza, more photovoltaic modules were necessary due to the higher energy consumption, especially for cooling. In addition, the application of the Brazilian energy efficiency regulation for buildings allowed a reduction of almost 50% in the final energy consumption. However, others strategies were also necessary to reach ZEB, due to the use of PV windows.

Muitos estudos já comprovaram a preferência dos usuários pela luz natural como fonte de luz em edificações. Além de benefícios à saúde atribuídos a sua influência no ritmo circadiano humano, a elevada qualidade na reprodução de cor, entre outros aspectos, a luz natural apresenta reconhecido potencial de economia de energia quando substitui ou complementa a iluminação artificial. Outro fator a ser considerado é que a maior disponibilidade de iluminação natural coincide com o horário comercial de funcionamento de edificações de escritório. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é demonstrar um comparativo entre dois modelos de aproximação de funções utilizadas para representar o potencial de economia de energia través do uso da iluminação natural em escritórios. São eles: Regressão Linear Multivariada e Regressão Não Linear Multivariada, também conhecida como Rede Neural Artificial (RNA). Os resultados mostraram que as RNAs são mais adequadas para esse tipo de problema devido a sua grande habilidade de aprender, o que permite melhor capacidade de generalizar os dados em relação à Regressão Linear Multivariada.

Many studies have confirmed users' preference for daylight as a light source in buildings. In addition to the health benefits attributed to its influence on human circadian rhythms, high quality colour reproduction and other aspects, daylight has a known potential for energy savings when replacing or supplementing artificial lighting. Another factor to be considered is that the availability of daylight coincides with the working hours of commercial office buildings. In this context, the objective of this paper is to draw a comparison between two types of approximation methods used to estimate the potential energy savings through the use of daylight in office buildings. These approximation methods models are: Linear and Nonlinear Multivariate Regression, also known as Artificial Neural Network (ANN). The results show that ANNs are particularly suitable for this type of problem due to their learning aptitude, which allows significantly better extrapolation of the learning data than Multivariate Linear Regression.

A luz natural é uma importante estratégia para redução do consumo de energia em edificações. Para sua previsão, recomenda-se a utilização de programas de simulação que empregam arquivos climáticos e processam as simulações com o conceito do Daylight Coefficients. O EnergyPlus, programa para simulação termoenergética, é uma dessas ferramentas. Porém, este software possui limitações no módulo de iluminação natural que superestimam a luz natural em ambientes internos. Para contornar essas limitações, o presente trabalho propõe uma metodologia para avaliação da eficiência energética, considerando o aproveitamento da luz natural, através da utilização de dois programas. A metodologia consiste na avaliação do desempenho luminoso e energético através de simulação com os programas Daysim e EnergyPlus. O Daysim produz um relatório que descreve o controle da iluminação artificial que é utilizado na simulação energética do EnergyPlus, que calcula o consumo energético final dos ambientes analisados. Os resultados indicam que a metodologia proposta mostrou-se adequada para suprir as limitações do EnergyPlus e para a avaliação da eficiência energética em edificações, considerando o aproveitamento da luz natural. Este trabalho mostra um caminho alternativo e confiável para a consideração do aproveitamento da iluminação natural na avaliação da eficiência energética de edificações.

Daylight is an important strategy to reduce the energy consumption of buildings. For simulating the use of daylighting in buildings it is advisable to use computer programs that incorporate local weather data and use the Daylight Coefficients concept to process simulations. One of those tools is EnergyPlus, a software used for thermodynamic simulations in buildings. However, this software has some limitations, since it overestimates daylighting inside the building. In order to overcome those limitations, this study proposes a methodology to evaluate the energy efficiency of buildings considering daylighting through the combined use of two programs. The methodology consists of an evaluation of the luminous and energy performance through computational simulations using the Daysim and EnergyPlus programs. Daysim produces a report that describes the control of artificial lighting that is used in the simulation with EnergyPlus, which calculates the overall energy consumption of the environment being analysed. The results indicate that this methodology is adequate to overcome the limitations of the EnergyPlus software, and to evaluate the energy efficiency of buildings. This study shows an alternative and reliable way to include daylighting in the evaluation of the energy efficiency of buildings.