Thermal and energy performance of the envelope of mixed-mode office buildings under climate change

Orientador: Leticia de Oliveira NevesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoResumo: Segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), o aumento da temperatura global é consequência, principalmente, das emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE) nos grandes centros urbanos. O ar-condicionado vem sendo cada vez mais utilizado a fim de manter condições confortáveis no ambiente interno e, com a elevação da temperatura global, a previsão é de que haja um aumento do uso deste sistema e das emissões de GEE. A ventilação natural é uma estratégia bioclimática recomendada para edifícios localizados em climas quentes, contribuindo com a redução do uso de sistemas mecânicos de condicionamento de ar. Esta pesquisa tem como principal objetivo investigar os impactos das mudanças climáticas no desempenho termoenergético de edifícios de escritórios que operam com ventilação híbrida. Para isso, um modelo de referência foi construído com base em um banco de dados composto por 50 edificações de escritórios com ventilação híbrida, localizadas na cidade de São Paulo. Três parâmetros relacionados ao projeto da envoltória foram analisados via simulação computacional: elementos de sombreamento, área efetiva de abertura das esquadrias para ventilação natural e fator solar do vidro. A análise foi realizada para duas orientações solares: Norte-Sul e Leste-Oeste. As simulações termoenergéticas foram realizadas nos programas EnergyPlus e jEPlus. Para isso, arquivos climáticos futuros foram gerados por meio da ferramenta Weather Shift para os anos de 2035, 2065 e 2090, levando em consideração os "Caminhos de Concentração Representativos" (Representative Concentration Pathway - RCP) 4.5 e 8.5. Uma avaliação comparativa do cenário atual (2020) com os cenários futuros foi realizada por meio das variáveis graus-hora de resfriamento, demanda térmica de resfriamento, horas de setpoint não atendido e consumo anual de energia. No cenário climático atual a economia de energia do modelo com melhor desempenho (ângulo vertical de sombreamento de 45 graus, área efetiva de abertura de 90%, fator solar do vidro de 0,9 e orientação solar Norte-Sul) foi de 26%, em relação ao edifício base, representativo da amostra de edifícios do banco de dados. A análise de cenários futuros mostrou uma redução na diferença de desempenho entre os modelos de melhor e pior desempenho, principalmente para o RCP 8.5 (cenário de altas emissões de GEE, representativo do business as usual), o que significa que o aquecimento global reduziu o benefício do uso de estratégias bioclimáticas na envoltória da edificação. No entanto, a contribuição na melhoria do desempenho termoenergético do modelo analisado trazida pela combinação das estratégias passivas como medida de adaptação às mudanças climáticas, em relação à utilização de estratégias individuais, foi suficiente para neutralizar o aumento do uso de energia para resfriamento devido aos efeitos do aquecimento global, evidenciando sua importânciaAbstract: According to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), global warming is mainly a consequence of greenhouse gas (GHG) emissions in large urban centers. Air-conditioning has been increasingly used to maintain comfortable conditions in the indoor environment and, as the global temperature rises, it is anticipated that there will be an increased use of air-conditioning systems and, consequently, higher levels of GHG emissions. Natural ventilation is a bioclimatic strategy that may contribute to reduce the use of mechanical conditioning in hot climates. This research aims to investigate the impacts of climate change on the thermal and energy performance of mixed-mode office buildings. A reference case was modeled based on a database composed by 50 mixed-mode office buildings located in the city of São Paulo, Brazil. Three envelope design parameters were analyzed via computer simulation: shading devices, window opening factor and solar heat gain coefficient (SHGC). The analysis was performed for two solar orientations: North-South and East-West. Thermal and energy performance simulations were performed in the EnergyPlus and jEPlus programs. To this end, future weather files were generated using the WeatherShift tool for the years 2035, 2065 and 2090, considering Representative Concentration Pathways (RCP) 4.5 and 8.5. A comparative assessment of the current scenario (2020) with future scenarios was performed through the variables cooling degree hours, cooling thermal loads, number of hours of setpoint not met and energy use intensity. For the current climate scenario, the energy savings of the best performance model (45 degree vertical shading angle, 90% window opening factor, 0.9 SHGC and North-South solar orientation) was of 26%, compared to the base case building, which represents the buildings sample in the database. The analysis of future scenarios showed a reduction in the difference in performance between the best and the worst models, mainly for RCP 8.5 (scenario of high GHG emissions, representative of the business as usual), what means that the global warming reduced the benefits of using bioclimatic strategies on the building envelope. However, the combination of passive strategies as an adaptation measure to climate change further contributed to enhance the model's thermal and energy performance, compared to the use of individual strategies, being able to neutralize the cooling energy increase due to global warming, emphasizing their importanceMestradoArquitetura, Tecnologia e CidadeMestra em Arquitetura, Tecnologia e Cidade88887.480089/2020-00CAPE