O trabalho apresenta uma análise térmica e energética de uma edificação localizada na zona bioclimática 1, que compreende as cidades mais frias do Brasil. A análise foi desenvolvida com o auxílio do programa de simulação dinâmica de edificações EnergyPlus em que foi determinado o consumo anual de energia elétrica de toda a edificação existente, bem como o consumo do sistema HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) do tipo split com ciclo reverso. O sistema HVAC existente representa 42% do consumo total de energia elétrica da edificação sendo que o aquecimento totaliza 89% do consumo do sistema HVAC. A avaliação do conforto térmico dos ambientes climatizados da edificação foi realizada tendo como referência as zonas de conforto de inverno e de verão definidas pela ASHRAE Standard 55-2004. Os ambientes apresentaram um percentual de 7,6 % a 33% das horas de operação do sistema HVAC fora da zona de conforto térmico de inverno da ASHRAE, considerando somente a temperatura operativa. A partir dos resultados da simulação da edificação existente foram propostas modificações na envoltória e o uso de um sistema de ar condicionado com tecnologia VRF (fluxo de refrigerante variável) a fim de reduzir o consumo de energia pelo HVAC e o número de horas desconfortáveis. A utilização de vidros duplos de maior transmissividade, superfícies com cores de maior absortividade solar, lã de vidro nas paredes externas e internas duplas e placas de EPS (Poliestireno Expandido) no piso da edificação, apresentaram ótimos resultados, reduzindo o consumo total de energia elétrica em 18,2% e o consumo do sistema HVAC passou a representar apenas 29,6% do total de energia da edificação. Após o aprimoramento da edificação foram selecionadas, a partir de catálogos de fabricantes, as máquinas com tecnologia VRF que atendessem a máxima carga térmica entre os dias de projeto ou arquivo climático sob determinadas condições. Os resultados obtidos com o sistema VRF apresentaram uma redução de 32,8% sobre o consumo de energia do sistema de HVAC e de 9,3 % sobre o consumo total de energia elétrica da edificação quando comparado com um ar condicionado tradicional do tipo split. Com a melhoria na envoltória e o uso da tecnologia VRF para climatização o percentual de horas fora das zonas de conforto da ASHRAE foram menores que os 4% estabelecido pela norma, quando considerado a temperatura operativa. O sistema VRF foi simulado adaptando o módulo de simulação de serpentinas de expansão direta com compressores de velocidade variável, do EnergyPlus, para quatro faixas de capacidades distintas do compressor (60%, 80%, 100% e 120%) e para cada faixa foram inseridas as correlações de desempenho da capacidade e potência elétrica de aquecimento e refrigeração para diferentes condições de operação. Nas simulações foram considerados a perda de desempenho e o consumo elétrico para a operação de degelo com ciclo reverso para temperaturas externas inferiores a 7º C. As simulações com o sistema VRF acoplado a edificação comprovam a capacidade de economizar energia elétrica, além de apresentar o menor custo especifico da energia para aquecimento em relação aos sistemas radiantes. / This dissertation presents the thermal and energetic analysis of a building located in the bioclimatic zone 01, which comprises the coldness regions of Brazil. The analysis was developed using the software for dynamic simulation of buildings called EnergyPlus, where was determined the annual consumption of electricity throughout the existing building as well as the consumption with lighting, electrical equipments and the HVAC system. The existing HVAC system represents 42% of total consumption and the heating corresponds to 89% of the total energy consumption of the HVAC system. The evaluation of thermal comfort zones of building were conducted with reference to the comfort zones of winter and summer from the ASHRAE Standard 55-2004. The thermal zones presented a percentage in the range of 7.6% to 33% of occupation hours outside the boundaries of ASHRAE thermal comfort zone (winter) evaluating the operating temperature. Based on simulation results of the existing building, changes were proposed in the envelope and in the use of a heat pump air conditioning system with VRF technology (variable refrigerant flow) to reduce the energy consumption of the HVAC and the number of hours outside the comfort zone. The use of double layers glasses with high transmissivity and surfaces colored with high solar absorption, wool glass in the external and double internal walls and EPS sheets on the building floor, presented excellent results. The modification of the envelope decreased 18.2 % in the total consumption of electricity and the HVAC system represents only 29.6% of the total energy of the building. After the building improvement was selected from catalogs of manufacturers, machines with VRF technology that could meet the maximum heat load between design days or weather file. The results obtained with the VRF system showed a 32.8% reduction on energy consumption of HVAC system and 9.3% about the total consumption of electricity of the building compared to a traditional heat pump air conditioning system with single speed compressor. With the improvement in the envelope and the use of VRF system the percentage of hours outside the ASHRAE comfort zones were lower than the 4% target set by the standard. The VRF system was modeled from model: Multi-Speed Electric DX Air Coil, of the EnergyPlus, for four different capacities of the compressor (60, 80, 100 and 120%) and for each capacity range were included the performance correlation of heating and cooling capacity, the correlations of electrical power heating and cooling for different condition of operate and correlation of the fraction of part load operation for each machine selected. As the study was conducted to the cooler regions of Brazil, defrost was considered in the simulation with reverse cycle for operating temperatures below 7°C. The heating energy with heat pump VRF presents lower specific cost compared to radiant systems like radiant floor and radiators.

O trabalho apresenta uma análise térmica e energética de uma edificação localizada na zona bioclimática 1, que compreende as cidades mais frias do Brasil. A análise foi desenvolvida com o auxílio do programa de simulação dinâmica de edificações EnergyPlus em que foi determinado o consumo anual de energia elétrica de toda a edificação existente, bem como o consumo do sistema HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) do tipo split com ciclo reverso. O sistema HVAC existente representa 42% do consumo total de energia elétrica da edificação sendo que o aquecimento totaliza 89% do consumo do sistema HVAC. A avaliação do conforto térmico dos ambientes climatizados da edificação foi realizada tendo como referência as zonas de conforto de inverno e de verão definidas pela ASHRAE Standard 55-2004. Os ambientes apresentaram um percentual de 7,6 % a 33% das horas de operação do sistema HVAC fora da zona de conforto térmico de inverno da ASHRAE, considerando somente a temperatura operativa. A partir dos resultados da simulação da edificação existente foram propostas modificações na envoltória e o uso de um sistema de ar condicionado com tecnologia VRF (fluxo de refrigerante variável) a fim de reduzir o consumo de energia pelo HVAC e o número de horas desconfortáveis. A utilização de vidros duplos de maior transmissividade, superfícies com cores de maior absortividade solar, lã de vidro nas paredes externas e internas duplas e placas de EPS (Poliestireno Expandido) no piso da edificação, apresentaram ótimos resultados, reduzindo o consumo total de energia elétrica em 18,2% e o consumo do sistema HVAC passou a representar apenas 29,6% do total de energia da edificação. Após o aprimoramento da edificação foram selecionadas, a partir de catálogos de fabricantes, as máquinas com tecnologia VRF que atendessem a máxima carga térmica entre os dias de projeto ou arquivo climático sob determinadas condições. Os resultados obtidos com o sistema VRF apresentaram uma redução de 32,8% sobre o consumo de energia do sistema de HVAC e de 9,3 % sobre o consumo total de energia elétrica da edificação quando comparado com um ar condicionado tradicional do tipo split. Com a melhoria na envoltória e o uso da tecnologia VRF para climatização o percentual de horas fora das zonas de conforto da ASHRAE foram menores que os 4% estabelecido pela norma, quando considerado a temperatura operativa. O sistema VRF foi simulado adaptando o módulo de simulação de serpentinas de expansão direta com compressores de velocidade variável, do EnergyPlus, para quatro faixas de capacidades distintas do compressor (60%, 80%, 100% e 120%) e para cada faixa foram inseridas as correlações de desempenho da capacidade e potência elétrica de aquecimento e refrigeração para diferentes condições de operação. Nas simulações foram considerados a perda de desempenho e o consumo elétrico para a operação de degelo com ciclo reverso para temperaturas externas inferiores a 7º C. As simulações com o sistema VRF acoplado a edificação comprovam a capacidade de economizar energia elétrica, além de apresentar o menor custo especifico da energia para aquecimento em relação aos sistemas radiantes. / This dissertation presents the thermal and energetic analysis of a building located in the bioclimatic zone 01, which comprises the coldness regions of Brazil. The analysis was developed using the software for dynamic simulation of buildings called EnergyPlus, where was determined the annual consumption of electricity throughout the existing building as well as the consumption with lighting, electrical equipments and the HVAC system. The existing HVAC system represents 42% of total consumption and the heating corresponds to 89% of the total energy consumption of the HVAC system. The evaluation of thermal comfort zones of building were conducted with reference to the comfort zones of winter and summer from the ASHRAE Standard 55-2004. The thermal zones presented a percentage in the range of 7.6% to 33% of occupation hours outside the boundaries of ASHRAE thermal comfort zone (winter) evaluating the operating temperature. Based on simulation results of the existing building, changes were proposed in the envelope and in the use of a heat pump air conditioning system with VRF technology (variable refrigerant flow) to reduce the energy consumption of the HVAC and the number of hours outside the comfort zone. The use of double layers glasses with high transmissivity and surfaces colored with high solar absorption, wool glass in the external and double internal walls and EPS sheets on the building floor, presented excellent results. The modification of the envelope decreased 18.2 % in the total consumption of electricity and the HVAC system represents only 29.6% of the total energy of the building. After the building improvement was selected from catalogs of manufacturers, machines with VRF technology that could meet the maximum heat load between design days or weather file. The results obtained with the VRF system showed a 32.8% reduction on energy consumption of HVAC system and 9.3% about the total consumption of electricity of the building compared to a traditional heat pump air conditioning system with single speed compressor. With the improvement in the envelope and the use of VRF system the percentage of hours outside the ASHRAE comfort zones were lower than the 4% target set by the standard. The VRF system was modeled from model: Multi-Speed Electric DX Air Coil, of the EnergyPlus, for four different capacities of the compressor (60, 80, 100 and 120%) and for each capacity range were included the performance correlation of heating and cooling capacity, the correlations of electrical power heating and cooling for different condition of operate and correlation of the fraction of part load operation for each machine selected. As the study was conducted to the cooler regions of Brazil, defrost was considered in the simulation with reverse cycle for operating temperatures below 7°C. The heating energy with heat pump VRF presents lower specific cost compared to radiant systems like radiant floor and radiators.

O trabalho apresenta uma análise térmica e energética de uma edificação localizada na zona bioclimática 1, que compreende as cidades mais frias do Brasil. A análise foi desenvolvida com o auxílio do programa de simulação dinâmica de edificações EnergyPlus em que foi determinado o consumo anual de energia elétrica de toda a edificação existente, bem como o consumo do sistema HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) do tipo split com ciclo reverso. O sistema HVAC existente representa 42% do consumo total de energia elétrica da edificação sendo que o aquecimento totaliza 89% do consumo do sistema HVAC. A avaliação do conforto térmico dos ambientes climatizados da edificação foi realizada tendo como referência as zonas de conforto de inverno e de verão definidas pela ASHRAE Standard 55-2004. Os ambientes apresentaram um percentual de 7,6 % a 33% das horas de operação do sistema HVAC fora da zona de conforto térmico de inverno da ASHRAE, considerando somente a temperatura operativa. A partir dos resultados da simulação da edificação existente foram propostas modificações na envoltória e o uso de um sistema de ar condicionado com tecnologia VRF (fluxo de refrigerante variável) a fim de reduzir o consumo de energia pelo HVAC e o número de horas desconfortáveis. A utilização de vidros duplos de maior transmissividade, superfícies com cores de maior absortividade solar, lã de vidro nas paredes externas e internas duplas e placas de EPS (Poliestireno Expandido) no piso da edificação, apresentaram ótimos resultados, reduzindo o consumo total de energia elétrica em 18,2% e o consumo do sistema HVAC passou a representar apenas 29,6% do total de energia da edificação. Após o aprimoramento da edificação foram selecionadas, a partir de catálogos de fabricantes, as máquinas com tecnologia VRF que atendessem a máxima carga térmica entre os dias de projeto ou arquivo climático sob determinadas condições. Os resultados obtidos com o sistema VRF apresentaram uma redução de 32,8% sobre o consumo de energia do sistema de HVAC e de 9,3 % sobre o consumo total de energia elétrica da edificação quando comparado com um ar condicionado tradicional do tipo split. Com a melhoria na envoltória e o uso da tecnologia VRF para climatização o percentual de horas fora das zonas de conforto da ASHRAE foram menores que os 4% estabelecido pela norma, quando considerado a temperatura operativa. O sistema VRF foi simulado adaptando o módulo de simulação de serpentinas de expansão direta com compressores de velocidade variável, do EnergyPlus, para quatro faixas de capacidades distintas do compressor (60%, 80%, 100% e 120%) e para cada faixa foram inseridas as correlações de desempenho da capacidade e potência elétrica de aquecimento e refrigeração para diferentes condições de operação. Nas simulações foram considerados a perda de desempenho e o consumo elétrico para a operação de degelo com ciclo reverso para temperaturas externas inferiores a 7º C. As simulações com o sistema VRF acoplado a edificação comprovam a capacidade de economizar energia elétrica, além de apresentar o menor custo especifico da energia para aquecimento em relação aos sistemas radiantes. / This dissertation presents the thermal and energetic analysis of a building located in the bioclimatic zone 01, which comprises the coldness regions of Brazil. The analysis was developed using the software for dynamic simulation of buildings called EnergyPlus, where was determined the annual consumption of electricity throughout the existing building as well as the consumption with lighting, electrical equipments and the HVAC system. The existing HVAC system represents 42% of total consumption and the heating corresponds to 89% of the total energy consumption of the HVAC system. The evaluation of thermal comfort zones of building were conducted with reference to the comfort zones of winter and summer from the ASHRAE Standard 55-2004. The thermal zones presented a percentage in the range of 7.6% to 33% of occupation hours outside the boundaries of ASHRAE thermal comfort zone (winter) evaluating the operating temperature. Based on simulation results of the existing building, changes were proposed in the envelope and in the use of a heat pump air conditioning system with VRF technology (variable refrigerant flow) to reduce the energy consumption of the HVAC and the number of hours outside the comfort zone. The use of double layers glasses with high transmissivity and surfaces colored with high solar absorption, wool glass in the external and double internal walls and EPS sheets on the building floor, presented excellent results. The modification of the envelope decreased 18.2 % in the total consumption of electricity and the HVAC system represents only 29.6% of the total energy of the building. After the building improvement was selected from catalogs of manufacturers, machines with VRF technology that could meet the maximum heat load between design days or weather file. The results obtained with the VRF system showed a 32.8% reduction on energy consumption of HVAC system and 9.3% about the total consumption of electricity of the building compared to a traditional heat pump air conditioning system with single speed compressor. With the improvement in the envelope and the use of VRF system the percentage of hours outside the ASHRAE comfort zones were lower than the 4% target set by the standard. The VRF system was modeled from model: Multi-Speed Electric DX Air Coil, of the EnergyPlus, for four different capacities of the compressor (60, 80, 100 and 120%) and for each capacity range were included the performance correlation of heating and cooling capacity, the correlations of electrical power heating and cooling for different condition of operate and correlation of the fraction of part load operation for each machine selected. As the study was conducted to the cooler regions of Brazil, defrost was considered in the simulation with reverse cycle for operating temperatures below 7°C. The heating energy with heat pump VRF presents lower specific cost compared to radiant systems like radiant floor and radiators.

Heat pumps are a vital part of each building for their role in keeping the space conditioned for the occupant. This study focuses on developing a model for the ground-source heat pump at the Zero Energy lab at the University of North Texas, and finding the minimum data required for generating the model. The literature includes many models with different approaches to determine the performance of the heat pump. Each method has its pros and cons. In this research the equation-fit method was used to generate a model based on the data collected from the field. Two experiments were conducted for the cooling mode: the first one at the beginning of the season and the second one at the peak of the season to cover all the operation conditions. The same procedure was followed for the heating mode. The models generated based on the collected data were validated against the experiment data. The error of the models was within ±10%. The study showed that the error could be reduced by 20% to 42% when using the field data to generate the model instead of the manufacturer’s catalog data. Also it was found that the minimum period to generate the cooling mode model was two days and two hours from each experiment, while for the heating mode it was four days and two hours from each experiment.

<p>The research is aimed in order to increase the efficiency and improve the<br />energy performance of multi-level administrative buildings in temperate<br />climate conditions. Special emphasis is on achieving and maintaining<br />acceptable indoor environmental standards and thermal comfort of<br />occupants. The investigation is based on a complex multi-criteria optimization<br />utilizing the most contemporary technology of dynamic energy simulations.<br />The developed methodology for energy performance evaluation and<br />improvement in the function of occupant comfort will have the possibility of<br />application on similar and newly designed buildings. The formulated model<br />also possesses flexibility and adaptability for further improvement and<br />application in different climatic conditions.</p> / <p>Истраживање је усмерено на повећање ефикасности и унапређење енергетских перформанси вишеспратних административних зграда у умереним климатским условима. Посебан нагласак је на постизању и одржавању прихватљивих унутрашњих микроклиматских стандарда и термичког комфора корисника. Истраживања су заснована на комплексној вишекритеријумској оптимизацији уз примену најсавременије технологије динамичке енергетске симулације. Развијена је методологија, флексибилна и прилагодљива, за вредновање и унапређење енергетских перформанси у функцији корисничког комфора, за примене и на друге сличне и новопројектоване објекте. Формулисан модел је подобан за даља унапређења и примену у различитим климатским условима.</p> / <p>Istraživanje je usmereno na povećanje efikasnosti i unapređenje energetskih performansi višespratnih administrativnih zgrada u umerenim klimatskim uslovima. Poseban naglasak je na postizanju i održavanju prihvatljivih unutrašnjih mikroklimatskih standarda i termičkog komfora korisnika. Istraživanja su zasnovana na kompleksnoj višekriterijumskoj optimizaciji uz primenu najsavremenije tehnologije dinamičke energetske simulacije. Razvijena je metodologija, fleksibilna i prilagodljiva, za vrednovanje i unapređenje energetskih performansi u funkciji korisničkog komfora, za primene i na druge slične i novoprojektovane objekte. Formulisan model je podoban za dalja unapređenja i primenu u različitim klimatskim uslovima.</p>

The goal of this dissertation is to demonstrate that data from a remotely located building can be utilized for energy modeling of a similar type of building and to demonstrate how to use this remote data without physically moving the data from one server to another using Virtual Information Fabric Infrastructure (VIFI). In order to achieve this goal, firstly an EnergyPlus model was created for Greek Life Center, a campus building located at University of North Texas campus at Denton in Texas, USA. Three thermal comfort models of Fanger model, Pierce two-node model and KSU two-node model were compared in order to find which one of these three models is most accurate to predict occupant thermal comfort. This study shows that Fanger's model is most accurate in predicting thermal comfort. Secondly, an experimental data pertaining to lighting usage and occupancy in a single-occupancy office from Carnegie Mellon University (CMU) has been implemented in order to perform energy analysis of Greek Life Center assuming that occupants in this building's offices behave similarly as occupants in CMU. Thirdly, different data types, data formats and data sources were identified which are required in order to develop a city-scale urban building energy model (CS-UBEM). Two workflows were created, one for an individual scale building energy model and another one for CS-UBEM. A new innovative infrastructure called as Virtual Information Fabric Infrastructure (VIFI) has been introduced in this dissertation. The workflows proposed in this study will demonstrate in the future work that by using VIFI infrastructure to develop building energy models there is a potential of using data for remote servers without actually moving the data. It has been successfully demonstrated in this dissertation that data located at remote location can be used credibly to predict energy consumption of a newly built building. When the remote experimental data of both lighting and occupancy are implemented, 4.57% energy savings was achieved in the Greek Life Center energy model.