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Metodologia harmonizada de avaliação do comportamento térmico e desempenho energético de edifícios: Estudo dos ganhos solares

Palavras-chave: EPBD,vãos envidraçados,ganhos solares na estação de aquecimento,ISO 13790,REH,CTE HE1,RT 2012,EPBD,Glazing,Solar gains in the heating season,ISO 13790,REH,CTE HE1,RT 2012

Dada a crescente preocupação mundial em reduzir os consumos energéticos e emissões de gases com efeito de estufa, responsáveis pelo aquecimento global do planeta, a União Europeia aponta a melhoria da qualidade dos edifícios e a eficiência energética como estratégia para reduzir os consumos de energia. Neste contexto, a presente dissertação pretende, numa primeira fase, estudar as recomendações da legislação comunitária, designadamente a diretiva 2010/31/UE de 19 de maio de 2010. A dissertação visa ainda, numa segunda fase, estudar os objetivos e implicações da alteração das legislações internas dos países da União Europeia, alteração resultante da imposição de respeitar os requisitos dos cálculos energéticos estabelecidos na Diretiva Europeia 2010/31/UE e nas normas europeias propostas pelo Comité Europeu de Normalização e internacionais propostas pela Organização Internacional de Normalização. Neste sentido, faz-se uma abordagem às normas europeias que suportam a implementação da diretiva comunitária nos Estados Membros, em particular as metodologias de cálculo para estimar as necessidades energéticas de aquecimento de edifícios na União Europeia, as quais são indicadas no Quadro Geral Comum – Anexo I – Diretiva 2010/31/UE. Dá-se particular destaque à comparação das metodologias de cálculo na parte referente aos ganhos solares, com base nos seguintes documentos técnicos: Norma Europeia EN ISO 13790:2008; Regulamentação Térmica Portuguesa - Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação; Regulamentação Térmica Espanhola - CTE-DB-HE1 Limitação da Necessidade Energética; Regulamentação Térmica Francesa - Regulamento RT 2012. Para a compreensão das diferenças metodológicas apresenta-se um caso de estudo e realiza-se um estudo comparativo das quatro metodologias de cálculo. Este caso de estudo consistiu numa moradia unifamiliar, que se considerou poder estar localizada em cada um dos países correspondentes aos documentos técnicos estudados.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Novas matérias-primas para travões de veículos pesados, outra toxidade?

Palavras-chave: Nanopartículas,Pastilhas de Travão,Toxicidade,Asbesto,Nanoparticles,Braking Paddles,Toxicity,Asbesto

A evolução do conhecimento científico permite-nos perceber cada vez melhor o mundo que nos rodeia. As nanopartículas sempre existiram, no entanto só recentemente é que começaram a ser estudadas. Atualmente, já possuímos informações suficientes para afirmar que estas são perigosas tanto para a saúde humana como para o meio ambiente. Após uma imposição da legislação que impede a utilização de fibras de asbesto como material de enchimento das pastilhas de travão devido aos problemas que estas causavam na saúde humana, tentou procurar-se a utilização de compostos que fossem menos prejudiciais. Assim, o principal objetivo desta dissertação foi avaliar a toxicidade das partículas libertadas pelos novos materiais utilizados. Neste trabalho, são identificados os principais componentes de pastilhas de travão. Posteriormente, simulou-se o processo de travagem em laboratório. As partículas libertadas por este processo foram então medidas utilizando e captadas para uma grelha. As grelhas com as partículas captadas foram depois analisadas para caracterizar o seu tamanho, forma e composição química. As pastilhas de travão apresentaram composições e morfologias semelhantes. A nível das partículas libertadas, verificou-se que o perfil da gaussiana das partículas libertadas foi sempre diferente devido à grande heterogeneidade dos materiais da pastilha. Após a observação das grelhas identificaram-se várias partículas constituídas por aglomerados de partículas nanométricas. A análise química identificou alguns elementos das partículas libertadas, no entanto a toxicidade é difícil avaliar porque os elementos podem não ser tóxicos na sua forma elementar, mas serem extremamente prejudiciais quando combinados com outros elementos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Soluções de elevada eficiência energética na reabilitação de um edifício de habitação

Palavras-chave: Eficiência Energética,Energias Renováveis,nZEB,Conforto,Energy Efficiency,Renewable Energy,nZEB,Comfort

A presente dissertação consiste na análise energética e estudo do potencial de aplicação de equipamentos em pequena escala, que promovam a captação de energia produzida a partir de fontes renováveis, num edifício de habitação antigo, situado no centro histórico da cidade de Coimbra, na zona protegida pela UNESCO. Com esse intuito será utilizado o programa de simulação energética de edifícios EnergyPlus 8.3. A realização de uma primeira simulação permite verificar a situação energética real da habitação, quando esta é utilizada apenas por dois ocupantes. Os dados iniciais, necessários para a modelação, centram-se no conhecimento dos seguintes parâmetros: soluções construtivas da habitação, envolvente externa, padrões de consumo e atividades dos ocupantes, iluminação artificial e natural, equipamentos elétricos e eletrónicos, sistemas de aquecimento das águas domésticas, aquecimento do ar, ventilação natural e artificial, entre outros. A análise dos resultados desta simulação permite quantificar as diferentes formas do consumo energético, que ocorrem em cada hora do dia, ao longo de um ano. Estas são referentes ao consumo de energia elétrica e da água utilizada na habitação. A sua redução é possível, através da aplicação de estratégias de melhoria do desempenho energético. Estas estratégias são alcançadas pela utilização de isolamento térmico no exterior do edifico, através da aplicação de EPS, e em alguns dos pavimentos pela utilização de cortiça. A alteração das janelas existentes, a redução dos caudais de consumo de água sanitária, a eliminação de alguns consumos em “Standby” dos equipamentos elétricos, e a aplicação de medidas comportamentais a adotar por parte dos ocupantes, constituem outras medidas introduzidas numa nova simulação, e que possibilitam a redução do consumo energético previsto pela simulação inicialmente realizada. Posteriormente são realizadas várias simulações com o intuito de se estudar e analisar a utilização de equipamentos em pequena escala que produzem energia a partir de fontes renováveis. Pretende-se que os valores energéticos obtidos permitam denominar o edifício de “nearly Zero Energy Building” (nZEB), ou seja, que a energia por ele consumida seja igual ou aproximada à energia produzida através de fontes de energia renovável, apresentando assim um desempenho energeticamente sustentável, dando um pequeno contributo para que Portugal e a Europa alcancem as metas estabelecidas no Horizonte 2020 e no REBC 2050.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Valorização de Lamas Graníticas de Corte e Polimento

Palavras-chave: Resíduo Granítico,corte e polimento,Cerâmico,Matéria-prima secundária,Granite,Cutting and polishing Waste,Ceramics,,Secondary raw-material

O Granito é um material geológico de elevado interesse comercial. Rocha magmática constituída por quartzo, feldspato e micas, é amplamente utilizada na construção civil e enquanto rocha ornamental. O setor da transformação de rocha ornamental granítica gera um grande volume de lamas nas suas operações de corte e polimento, passivas de serem sujeitas a uma operação de R5 (Reciclagem/recuperação de outros materiais inorgânicos) ou seja transformação dos resíduos de modo a servirem um fim útil, substituindo outros materiais que, caso contrário, teriam sido utilizados para um fim específico, neste caso em particular na produção de artigos cerâmicos. A caraterização física e química das lamas graníticas de corte e polimento assume um papel crucial para a validação da valorização destes materiais em revestimentos cerâmicos e em cerâmicas técnicas, atendendo às especificidades produção e normativas de cada uma destas situações.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Implementação do sistema de gestão de energia no DEC

Palavras-chave: Gestão de Energia no Edifício,Eficiência energética,Indicadores de Eficiência Energética,Energy Management in Building,Energy Efficient,Energy Efficiency Indicators

O objetivo do presente trabalho é contribuir para a implementação de um sistema de gestão da energia no DEC. Para alcançar esse objetivo foi necessário caracterizar o consumo energético atual, avaliar o desempenho energético do edifício, identificar as ineficiências e propor medidas ou alterações que conduzam ao aumento da eficiência energética no edifício. Uma das principais observações retirada deste trabalho é que se torna essencial apostar no desenvolvimento e implementação de medidas de caracter comportamental, isso porque é um aspeto que pode representar uma grande poupança no edifício e na maioria das vezes não implica nenhum custo. A implementação de um Sistema de Gestão de Energia (SGE) é indispensável para o DEC, visto que contribui significativamente para melhorar a performance energético do edifício, provocando uma redução considerável da fatura energética e dos impactos associados ao consumo de energia. Para o seu sucesso é indispensável o compromisso da gestão do topo.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Estudo da interação térmica e dinãmica entre um escoamento gasoso e uma matriz porosa metálica

Palavras-chave: Matriz porosa metálica,Palha-de-aço,Convecção,Permeabilidade,Coletor de placa plana,Energia Solar,Metallic porous media,Steel wool,Solar energy,Flat plate collector,Convection,Permeability

A energia solar apresenta como fonte o Sol, origem de praticamente toda a energia que sustenta a vida e enorme potencial energético ainda com muito por explorar, principalmente em Portugal. Porém, este tipo de energia apresenta como desvantagens o facto de ser intermitente e apresentar grandes variações regionais. Como tal, torna-se necessário a melhoria dos sistemas tecnológicos principalmente no que diz respeito à eficiência dos mesmos. A presente dissertação apresenta como principal objetivo a caracterização duma matriz porosa metálica, de seu nome palha-de-aço, com o intuito de a utilizar como elemento absorvedor num coletor de placa plana. Para tal, estudou-se a interação térmica e dinâmica entre a referida matriz e um escoamento de ar, variando o caudal deste e o grau de porosidade e a orientação espacial da matriz. Para a obtenção dos valores referidos foi utilizada uma instalação experimental e um modelo teórico matemático. Obtidos os valores experimentais e os dados fornecidos pelo modelo teórico, obtiveram-se valores de coeficiente de transferência de calor entre 10 e 70 W.m-2.˚C-1, para orientação radial da matriz, e de 10 a 90 W.m-2.˚C-1, para a orientação longitudinal. Ainda na mesma instalação experimental foram adquiridos, em diferentes pontos da conduta, valores de pressão do escoamento gasoso. A partir destes valores e da lei de Darcy, foi possível obter valores de permeabilidade para a matriz em questão de 5,0 10-8 a 2,9 10-7 m2, para orientação longitudinal, e 1,0 10-8 a 1,3 10-7 m2 para orientação radial.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Mecanismos de checkpointing para aplicações paralelas de cálculo científico

Palavras-chave: Recuperação de avarias,Job-swapping,Tolerância a falhas,Computação paralela,Algoritmos distribuídos,Computação científica,Paradigmas de programação,Bibliotecas paralelas

Esta Tese apresenta um estudo detalhado sobre técnicas de checkpointing para aplicações paralelas de cálculo científico de longa duração. São apresentados vários esquemas de checkpointing que podem ser usados como técnica de tolerância a falhas ou para efeitos de job-swapping. Os factores tidos em conta durante o desenvolvimento dos mecanismos aqui apresentados foram: o desempenho, a optimização no uso dos recursos do sistema, a funcionalidade, a portabilidade e a heterogeneidade. Na primeira parte da Tese iremos apresentar um conjunto de algoritmos de checkpointing coordenado para sistemas baseados em mensagens. Estes algoritmos são de uso geral e deverão ser implementados a nível do sistema operativo. Embora não sejam esquemas facilmente portáveis são completamente transparentes para a aplicação. Para provar a superioridade dos algoritmos de checkpointing coordenado apresentaremos um estudo experimental onde comparamos o seu desempenho com outros algoritmos existentes na literatura, tais como um algoritmo de checkpointing independente e dois protocolos de salvaguarda de mensagens. Na segunda parte, iremos desenvolver uma abordagem designada por checkpointing orientado ao paradigma. A ideia básica é explorar as características dos paradigmas de programação paralela no sentido de aumentar a eficiência do checkpointing. Esta técnica permite obter checkpoints mais compactos, que introduzem uma menor degradação no desempenho dos programas, oferece maior flexibilidade e facilita a portabilidade dos esquemas e dos respectivos checkpoints entre sistemas diferentes. Nesta linha de orientação, iremos apresentar mecanismos de checkpointing para os principais paradigmas (Mestre/Escravo, SPMD, data-pipelining e divide-and-conquer) assim como para modelos alternativos à passagem de mensagens (Linda e DSM). Finalmente, na terceira parte da Tese iremos apresentar um conjunto de mecanismos de checkpointing para ficheiros, que asseguram a consistência dos mesmos quando a aplicação tem de recomeçar a partir de um checkpoint anterior. Iremos ainda descrever um conjunto de soluções para resolver o problema da contaminação dos checkpoints, que poderão ser usadas para aumentar a confiança na correcção dos resultados finais da aplicação. Com este estudo podemos concluir que a ideia de explorar a semântica das aplicações é uma solução muito promissora. Os esquemas de checkpointing orientados aos paradigmas conseguem reduzir significativamente a degradação causada no desempenho das aplicações assim como o tamanho dos checkpoints. Além disso, oferecem maior portabilidade e permitem usar os checkpoints em ambientes heterogéneos. Palavras Chave: checkpointing, recuperação de avarias, tolerância a falhas, job-swapping, computação paralela, algoritmos distribuídos, computação científica, paradigmas de programação, bibliotecas paralelas.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Tolerância a falhas em sistemas electromecatrónicos baseados no inversor de fonte de corrente com comutação pela carga

Palavras-chave: Accionamentos eléctricos,Fault analysis

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à análise de avarias e sua compensação em sistemas electromecatrónicos de velocidade variável de potência elevada, baseados na máquina síncrona de excitação eléctrica e no inversor de fonte de corrente com comutação pela carga. A dissertação encontra-se dividida em seis capítulos. No Capítulo 1 é feita a apresentação das estruturas usadas em aplicações de potência elevada, considerando a sua evolução histórica e de funcionamento básico, sendo dado maior detalhe à caracterização do accionamento considerado para análise. O Capítulo 2 descreve a modelização do sistema em estudo, tendo em vista a sua simulação, sendo dado maior destaque ao modelo da máquina síncrona, já que se trata do componente fulcral do accionamento. No Capítulo 3 é apresentada a análise teórica das características electromecânicas do accionamento, em funcionamento normal, complementada com resultados de simulação e experimentais que validam a análise efectuada, assim como o modelo de simulação e a montagem laboratorial implementada. O Capítulo 4 introduz as avarias susceptíveis de ocorrerem no funcionamento dos conversores de potência que integram o accionamento, analisando os seus efeitos nas características do mesmo. São apresentados diversos resultados, ilustrando este funcionamento para o caso do tipo de falhas que não põem em causa a própria sobrevivência imediata dos constituintes do accionamento. O Capítulo 5 propõe algumas soluções para compensar as avarias apresentadas, introduzindo assim algum nível de tolerância no funcionamento do accionamento e melhorando o seu desempenho pós-falha. Por fim, no Capítulo 6, são apresentadas as conclusões finais, tendo em conta os resultados obtidos durante o estudo efectuado e perspectivando desenvolvimentos futuros no âmbito do trabalho desenvolvido. A dissertação é completada com as referências bibliográficas utilizadas ao longo do texto e complementada com cinco anexos, que ilustram algum do trabalho desenvolvido, nomeadamente para a implementação da montagem laboratorial.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Perdas por correntes induzidas em chapas ferromagnéticas

Palavras-chave: Materiais magnéticos,Chapas ferromagnéticas,Correntes induzidas

Nos dispositivos sobre os quais se debruça a engenharia electrótécnica, e, em particular, nas máquinas eléctricas, existem diversos tipos de perdas, resultando, em última análise, na conversão de energia electromagnética em calor. Nos materiais ferromagnéticos, fundamentais na grande maioria das máquinas eléctricas, o cálculo de perdas por correntes induzidas é particularmente importante para dispositivos funcionando com frequências superiores aos 50Hz ou com alimentações não sinusoidais, resultantes da utilização de electrónica de potência. Nestes casos, o efeito pelicular nas chapas ferromagnéticas pode ser muito significativo, colocando problemas adicionais. A temática é pois de enorme importância para o desenvolvimento de dispositivos electromagnéticos de elevada eficiência.  No início, são expostos os conceitos e a formulação para o problema do cálculo das perdas, em particular por correntes induzidas. São comparadas diferentes formulações a 1D, com ou sem efeito pelicular. É apresentada a formulação para a modelação por elementos finitos, sendo estudado detalhadamente o problema de chapas estreitas (problema 2D) com efeito pelicular, tendo-se obtido um gráfico e um modelo matemático genéricos para qualquer chapa ferromagnética em funcionamento na zona linear. A tentativa de expansão deste gráfico para a zona não linear levou ao teste e utilização de curvas B-H eficazes equivalentes, à utilização do método do balanço harmónico e ao início do estudo para inclusão do efeito das chapas estreitas na formulação por elementos finitos. Para poder realizar estes trabalhos, foi necessário proceder a grandes alterações ao software CADdyMAG, para funcionar com mais nodos e elementos finitos e também em modo automático ("batch"), bem como alterar diversos processadores e ainda convertê-lo de DOS para ambiente Windows.  É também exposta a formulação térmica por elementos finitos para os fenómenos térmicos resultantes das perdas, a migração do processador térmico de elementos finitos do ambiente VAX/VMS para PC/Windows, tendo sido também desenvolvido um método de homogeneização térmica através do cálculo de condutividades térmicas equivalentes.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
Modelação e simulação de sistemas de eventos discretos com estrutura dinâmica : uma abordagem baseada na teoria dos sistemas

Palavras-chave: Modelação,Teoria dos sistemas,Teoria da modelação

Os modelos discretos têm sido aplicados com sucesso na representação de uma grande variedade de sistemas, tais como sistemas de produção, redes de computadores e tráfego automóvel. Alguns sistemas podem ser mais facilmente representados por modelos capazes de alterar a sua própria estrutura. Porém, as metodologias actuais dificilmente permitem a descrição deste tipo de modelos, sendo o modelador forçado a representar mudanças estruturais como simples mudanças das variáveis de estado. Nesta tese é apresentado um novo formalismo de modelação designado por DSDEVS (Dynamic Structure Discrete Event System Specification). O DSDEVS tem origem no formalismo DEVS e na Teoria dos Sistemas, e oferece um método rigoroso para a especificação hierárquica e modular de sistemas discretos adaptáveis. Este formalismo é capaz de representar modelos discretos que podem ser objecto de alteraç›es na sua própria estrutura no decorrer de uma simulação. Estas alterações de estrutura podem ir desde simples mudanças na interacção entre componentes, até alteraç›es mais complexas envolvendo a adição ou remoção de modelos. Para demonstrar a utilidade do formalismo DSDEVS foi desenvolvido o sistema de modelação e simulação DELTA, uma realização desta metodologia na linguagem de programação Smalltalk. São também apresentados, nesta tese, alguns exemplos de sistemas que podem ser mais fielmente representados por modelos adaptáveis.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias
O contolo de consumos no âmbito da utilização eficiente de energia eléctrica

Palavras-chave: Sistemas de energia,Controlo de consumos

A dissertação trata de um conjunto de temas relacionados com a gestão de consumos, tanto do ponto de vista do consumidor como do produtor / distribuidor de electricidade. Na primeira parte são passadas em revista as técnicas mais modernas de controlo de consumos, locais e centralizados (remotas), e os problemas associados. É apresentado um dispositivo desenvolvido para o controlo local de consumos com vista à limitação da ponta de potência de uma instalação, com características inovadoras no algoritmo de controlo e na discriminação dos consumos dos diversos circuitos monitorizados. É também apresentado o desenvolvimento de um sistema de medida de consumos de energia eléctrica de elevada precisão, que leva em conta a poluição harmónica da rede. Pretende demonstrar a viabilidade de sistemas precisos de medida simultaneamente para uso a jusante por sistemas de gestão de consumos e não desprezando o efeito de injecção de harmónicos por equipamentos electrónicos, nomeadamente usados em controlo de consumos. Finalmente, é demonstrada a viabilidade da realização de estudos de impacto da gestão centralizada de consumos pelo produtor/distribuidor com meios computacionais modestos, através de um conjunto de programas desenvolvidos com grande interactividade com o utilizador. Aqueles programas permitem optimizar as acções de controlo de modo a conseguir a melhor estratégia de corte das pontas do diagrama de cargas, avaliando ainda os custos comparados de planos de expansão da capacidade de geração com e sem acções de controlo centralizado de consumos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias