Search

Currently, the energy consumption study in buildings is very important, since it is one of the sectors of activity where there is great potential to improve energy efficiency. On the market, there are several simulation software, and the aim of this work consists in conducting a comparison between two dynamic simulation software, EnergyPlus, and Revit, with respect to the results obtained of thermal loads and annual energy consumption of a service building. In the simulation using EnergyPlus, an annual energy consumption of 442 MWh was obtained, that compares with 533 MWh when using Revit. Concerning the thermal loads in the sales area of the hypermarket, the simulation results for the thermal loads were the following: 761 kW for heating and 79 kW for cooling, versus 924 kW for heating and 86 kW for cooling when using the EnergyPlus and the Revit software, respectively. This discrepancy between the values obtained could be due to the limited selection of climatic files in Revit as well as the different definitions of the HVAC systems., The authors would like to express their gratitude for the support given by FCT within the R&D Units Project Scope UIDB/00319/2020 (ALGORITMI) and R&D Units Project Scope UIDP/04077/2020 (MEtRICs).

This work seeks to analyze the thermal comfort of the occupants in a large building of Commerce and Services, integrating measures of assessment and energy efficiency promotion. The building is still in the construction phase and at its conclusion, will correspond to a supermarket located in the Central region of Portugal. For the evaluation of thermal comfort, Fanger’s methodology was used, where the Predicted Mean Vote (PMV) and Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD) were calculated based on a detailed analysis of the environmental variables. These are essential to obtain, namely, mean air velocity, mean radiant temperature, mean air temperature and relative humidity. The other crucial variables are the metabolic rate and the thermal clothing resistance. The simulations necessary for the thermal comfort assessment were performed in ANSYS Fluent, in order to minimize the energy consumption in the cold thermal zone of the building, the sales area with frozen and chilled food, by means of reducing the inflow of air, without compromising thermal Comfort. The final results showed that the reduction of the amount of air to be inflated did not compromise the thermal comfort of the occupants. The Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology allowed the creation of comfort maps, albeit for a single zone due to computational limitations. According to the results, the most comfortable zone was located right below the air insufflation with the summer being a more comfortable season. In winter, the main problem detected was the cold located near the floor., The authors would like to express their gratitude for the support given by FCT within the R&D Units Project Scope UIDB/00319/2020 (ALGORITMI) and R&D Units Project Scope UIDP/04077/2020 (MEtRICs).

An increasing interest in inductive lanes for dynamic wireless power transfer, as a mean of on-the-road charging of electric vehicles, has been observed in recent times. Most of current related research and development efforts have so far been guided by the presumption of a future large-scale adoption of electric vehicle types whose payload and power train characteristics are compatible with the standard internal combustion engine vehicles they are supposed to replace in the coming years. The quest for energy conservation and more sustainable personal transportation, however, opens new possibilities for hybrid human-powered lightweight electric vehicles, such as e-bikes, electric rickshaws and similar lower mass, lower power and lower speed vehicles. These vehicles, when combined with dynamic inductive wireless power transfer lanes are predicted to deliver unprecedented transportation services at low granularity, constituting an alternative to heavier personal cars and even to public transports in some contexts. To allow this modal shift, some urban policies must be implemented, and new architectural guidelines should be adopted to include the inductive electrification of lightweight vehicle lanes. The expected result is a better conservation of energy and the promotion of a safer and healthier lifestyle in the cities of tomorrow., This research was supported by FCT –“Fundação para a Ciência e Tecnologia”, the Portuguese funding agency supporting science, technology and innovation, grant SFRH/BD/52349/2013, project scope UID/CEC/00319/2019 and the MIT-Portugal Program. It was also financed by the ERDF –European Regional Development Fund through the Operational Programme for Competitiveness and Internationalization ‐ COMPETE 2020 Programme, within project ESGRIDS –Enhancing Smart GRIDs for Sustainability, SAICTPAC/0004/2015‐ POCI‐01‐0145‐FEDER‐016434. The authors are also grateful to the Portuguese National Association of theTwo-Wheeled Industries (ABIMOTA), for providing access to recent statistics collected by the Confederation of the European Bicycle Industries (CONEBI).

This work aims to simulate the thermal comfort for the user of a movie theater in the dimension related to considering the thermal environment parameters by the using EnergyPlus software. The results from simulation are then compared with the experimental ones. In order to calculate and model the thermal comfort, it was necessary a proper characterization of the space that included the measured occupancy, thermal environment variables, distinct electric equipment and lights. To compute the Predicted Mean Vote (PMV) and the Predictable Percentage of Dissatisfied (PPD) in EnergyPlus, the metabolic rate, air velocity and clothing insulation were defined according to the cinema specifications. The results obtained from EnergyPlus were then compared with the experimentally measured ones. Minor differences were observed regarding the comfort sensation. Despite the differences, the variation in the percentage of dissatisfied people is smaller than 2%. Furthermore, this work also allowed verifying that the occupancy rate is a determining factor in the thermal comfort sensation and, in this case, people provided the necessary energy to heat the cinema room in the second session that occurred at night., The authors would like to express their gratitude for the support given by FCT within the Project Scope UID/CEC/00319/2019 (ALGORITMI) and Project Scope UID/EMS/04077/2019 (METRICS).

Stirling engines efficiency, the increased maintenance interval periods, the variety of energy sources and the relatively low gas emissions makes Stirling technology an interesting choice as prime mover for cogeneration applications. These are some of the reasons that justify the attention received from researchers in the last years, focused in its modelling, optimization and its application in the suppression of buildings energy needs. In this study, an alpha-Stirling engine was numerically modelled. At this configuration, the working fluid flows between expansion and compression spaces by alternate crossing of, a high temperature heat exchanger (heater), a regenerator and a low temperature heat exchanger (cooler). Thus, the engine is considered as a set of five components connected in series. MatLab® environment was used to implement a software-code to model the thermodynamic cycle of the Stirling engine. The modular code allows investigating the influence of different geometrical and thermal parameters of all the engine components that affects its power production and the efficiency, the effectiveness of heat exchangers and the design itself of the power plant. This parametric analysis helps finding some restriction values for geometrical parameters that cannot be solved through the optimization procedures. For instance, at some point, there is a geometrical limit for which the increase in heat transfer is overlapped by the void volume or pumping losses increase. The parametric analysis led to an enhanced configuration of the numerical model, which resulted in the increase of engine thermal efficiency (about 13.4%), with a power production close to 5 kW., CCES -Competence Center Environment and Sustainability(POCI-01-0145-FEDER), info:eu-repo/semantics/publishedVersion

It is common knowledge that internal combustion engines have the function of transforming thermal energy into useful mechanical work. During the combustion process of the fuel and air mixture (heat generation) a quantity of gases are produced and released into the environment by the exhaust system of these engines. When these machines were invented, their creators might not have had the notion that the generated gases would be aggressors to nature. The constant population growth, the increasing demand for the use of these engines and observations of the impact in nature, among them the health and greenhouse effects, evidenced mainly from the end of the last century, led scientists to study the problem related to gaseous emissions from these machines. The present work aims to study and evaluate the emissions of internal combustion engines, their consequences both to the human health and to the environment, the evolution of government legislation and also the control mechanisms implemented to reduce these pollutants. The applied methodology is a qualitative and exploratory study of bibliographic character of theoretical and experimental works that were presented in master's dissertations, doctoral theses, scientific articles and websites of companies specialized in the subject.

Liquid biofuels have been used for a long time. According to historical records when Rudolph Diesel presented the diesel engine in the world fair in Paris in 1900 it run with vegetable oil from peanuts. Considering that petro-diesel comes from non-renewable sources and its use produces green house gases, there is a compelling attitude to add increasing proportions of Biodiesel to the petrol-diesel in various countries. In Brazil, the government established the National Program for the Production and Use of Biodiesel (PNPB), which also has social inclusion and regional development goals. From its creation to the present day many challenges have been overcome and lessons learned from constant research, developments and innovations. The present work aims to study and describe the historical evolution of biodiesel, regulations of its use, evaluation of the social and environmental benefits, problems generated and future perspectives regarding their use and growth. This is a bibliographical overview where theoretical and experimental researches described in doctoral theses, scientific articles, master's dissertations, government websites and specialized companies related to the biodiesel area are analysed and described. Most of the selected reports are related to Brazil and, consequently, are written in Portuguese.

Nitrogen oxides (NOx) from combustion devices are responsible for the formation of acid rain and photochemical smog. This led to a growing environmental concern resulting in the creation of rigorous legislation for harmful emissions. For domestic hot water production appliances, particularly water heaters, there are already some solutions in the market able to achieve low pollutant emissions. However, the complexity of the solutions makes the price tag significantly higher, hampering its mass adoption. It is therefore essential to design and develop simpler and low cost solutions that meet the limits imposed by legislation. This work reports the analysis and validation of the air-gas fuel mixture in a water heater low NOx gas burner element. This is based on a pre-mixed flame made of two separate fuel systems. One is a lean mixture that provides the bulk of the heat load. The other is a rich pilot flame, used to stabilize the flame. For that, a mathematical model wasdeveloped and applied, which, upon initial settings, allows for the prediction of the amount of primary air drafted. To validate the theoretical results, experimental tests were performed using a Laser Doppler Anemometer to evaluate the influence of the throat length in the amount of entrained air, as well as, the air induced in the burner element under study. Furthermore, a parametric analysis was performed which evaluated the influence of some variables (geometry, physical properties of fluids, etc.) in the amount of entrained air. The numerical results for the air-fuel equivalence ratio of a conventional burner element (between 0.645 and 0.794) proved to be reasonably close to the value announced by the manufacturer (0.7). Numerical analysis of the burner element with pilot stabilization resulted in values that verify the difference between the richness of the two mixtures. By adjusting the throat-diffuser geometry one may tune the air-fuel ratio of each mixture.

The interest on decentralized power generation technology has been drastically increasing in the last few years. This great interest is due to the necessity of achieving new ways for improving energy efficiency, the national security of energy supply and the reduction of carbon dioxide emissions. Combined heat and power generation (CHP) systems can be a good option to achieve those goals. In Europe and for the building sector, this fact can be translated in the development of low power systems (micro-CHP), designed to fulfill building equivalent loads. These systems will replace the usual boilers that satisfy the dwelling’s heat requirements and, additionally, generate electricity for own consumption or export back to the electricity grid. The most cited technologies in small and micro- scale are Fuel Cells, Internal Combustion Engines, and Stirling Engines. Stirling Engines are gaining some attention due to their advantages: high total efficiency, fuel flexibility, low emissions, low noise/vibration levels and good performance at partial load. Due to these characteristics, Stirling engines seem to be a good alternative for residential energy conversion, and thus, a pathway for more energy-efficient systems that rise to the challenges of increasing market competition. Many studies have been conducted in order to assess Stirling Engines performance, but the integration of technical and economic evaluation for micro-CHP systems applications is an issue that is not focused in literature, and is the final objective of this project., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Developing efficient energy generation technologies has become essential due to scarcity and high prices of fossil fuels and environmental concerns. The purpose of the present study is to develop a conceptual model based on a cost-benefit analysis applied to a cogeneration system for a micro-scale application, considering the Portuguese framework. The economic viability assessment of a micro-CHP system is of utmost importance in the decision making process when considering a new investment. The micro-CHP systems offers some benefits that underlie their economic viability: the capacity of producing heat and power at consumption place; allows the reduction of transmission and distribution losses; maximizes the utilization of primary energy by reducing waste heat; and finally offers significant contribution to pollutant emissions reduction. The development of optimization models has proven to be a valuable tool for the design and techno-economic assessment of micro-CHP systems., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

This paper presents a review on Stirling engines used in micro-CHP system applications. The aim of this review is to investigate and identify the commercial solutions available in the market based on Stirling engine technology. This should represent a preliminary study to understand what are the best configurations to use with this technology in combined heat and power production for the building sector. A number of Stirling engine configurations and designs, including the engine’s development is provided and discussed. Stirling engines have been identified as a promising technology for energy conversion due to their high efficiency levels, low pollutant emissions, low noise levels and due to their flexibility in terms of fuel sources. Micro-CHP systems based on Stirling engines could be suitable for applications where multi-fuelled characteristics and high thermal efficiencies are needed. Stirling engines are flexible and consistent with the requirements for a sustainable development., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

The use of Combined Heat and Power (CHP) technologies is increasing due to the liberalization onf energy market, energy efficiency concerns and the emphasis o distributed power generation systems. The main objective of the present work is to implement an analysis that will lead to the optimal design of a small cogeneration system, given the thermal power duration curve of a multi-family residential building. A nonlinear optimization model was implemented in MatLab environment using two distinct optimization methods: the Box and the SQP method. The optimal solution for the small CHP presented a positive annual worth and disclosed reasonable values for the decision variables of the thermo-economic model. The results were identical for both methods, demonstrating the validity of the implemented approach., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Combined heat and power (CHP) units use heat that would otherwise be wasted in a conventional power plant, and may reach an overall efficiency above 90% (LHV), which is well above to the 40% achieved by reference plants. This paper presents the design and development of a micro- cogeneration prototype (, Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

A numerical optimisation method, previously applied to a large cogeneration plant has been adapted for a small-scale unit delivering 125kW of useful heat and 90 to 100kW of electricity. The unit is based on a micro gas-turbine and includes an internal pre-heater (typical of these types of small-scale units) and a WH (Water Heater). The mathematical model yields a non- linear objective function, subject to physical constraints of system operation. The electrical power production is one of the six decision variables that were selected for the optimisation algorithm where the objective function is defined as the maximization of annual worth of the CHP system. A sensitivity analysis was carried out and showed that the relationship between the electricity feed-in tariff and the natural gas price significantly affects the heat to power ratio of the system., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

In the last decade, new improvements on energy systems production are been conducted. The liberalization of the energy market, the search for alternative technologies using renewable energy sources, the sustainability of energy supply and the environmental issues are factors that emphasis the introduction of decentralized power generation systems. The purpose of this work is to identify the variables that must be considered in developing an economic model to assess the viability of a new micro-cogeneration system for micro-scale applications. In the development of cost- benefit analysis, two types of variables should be considered: the internal variables that quantify and parameterize the operation and performance of the system; and external variables that evaluate the social and environmental impacts arising from the use of cogeneration technology. The design of decentralized energy systems is usually carried out integrating technical and economic aspects. As a consequence, the assessment of CHP systems sustainability requires the analysis of operational cost-benefit analysis as well as the environmental and social impacts, which represent important external costs.

There is a growing potential for the use of small-scale cogeneration systems in the building sector, because this systems are able to produce both useful thermal energy and electricity from a single source. This fact represents a significant increase in the efficiency of energy conversion, when compared with the conventional electricity generation. The aim of this paper is the development of a thermo-economic model to optimize a small-scale cogeneration system able to deliver 125kW of thermal power to fulfil the base-heating load of a medium-size building. The objective function was defined as the maximization of the annual worth and six decision variables were also defined. The mathematical model was implemented using the Box method in MatLab® environment. The results show that the small CHP system discloses a positive annual worth for the simulated conditions. The fuel is the most predominant cost, which is significantly greater than the capital investment cost. The positive profits are due mainly to the great income from selling the total electricity that is produced to the grid. The study shows that the most relevant variables in micro-gas turbine system are the compressor pressure ratio, the turbine inlet temperature and the internal pre-heater effectiveness. The optimal solution results are strongly correlated with the electricity and fuel prices and with the components performance/cost assumptions considered in the model.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Cogeneration (or Combined Heat and Power, CHP) is the simultaneous production of electrical and thermal energies. These systems are becoming an attractive way to produce energy due to their higher efficiency and lower pollutant emissions. The purpose of the thermo-economic optimization is to find the ideal characteristics of the thermal system that will lead to the optimum design of a small cogeneration system, maximizing the annual worth. The energy system may be described as a thermo-economic optimization problem through the definition of an objective function, constrained by physical limitations imposed by the cogeneration plant. The model includes the maintenance and operation costs for each component of the plant, the income from selling electricity to the grid and the avoided cost associated to the conventional heating system. The optimal values for the decision variables, according to the specified conditions of the system, were achieved by applying the Box Method implemented in MatLab. This nonlinear numerical optimization method proved to be an effective tool to determine the optimal characteristics of the cogeneration plant. The results show that the fuel costs have the greatest weight in the total operating costs of the system. The optimal solution for the small-CHP is sensitive to capital cost, fuel price and electricity feed-in-tariff.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, As sucessivas restrições à circulação de veículos com motores de combustão interna têm tornado o desenvolvimento de motores Diesel e gasolina cada vez mais difícil e caro, tendo já levado ao progressivo e generalizado interesse das marcas pela mobilidade elétrica. Os veículos elétricos, comparativamente aos veículos convencionais, permitem reduzir as emissões poluentes e de gases com efeito de estufa no seu uso, recorrendo a fontes de energia renovável, evitando o uso de combustíveis fósseis, que não são renováveis. No entanto, a maioria dos veículos elétricos comercializados até ao presente são da classe média-alta com custos, pesos e potências demasiado elevadas para as necessidades da circulação urbana. O objetivo principal do trabalho foi analisar a viabilidade técnica e económica da conversão de um pequeno veículo citadino existente (e.g. tipo Citroën C1) para um veículo de tração elétrica, com uma autonomia de 100 km, 100 km/h de velocidade máxima e um consumo inferior a 10 kWh/100 km. Foi feita também a análise da viabilidade de montar um pequeno motor térmico (cerca de 125 cc, 4T) acoplado a um gerador elétrico como extensor de autonomia (range extender). O veículo seria apenas para circulação urbana e suburbana (estradas nacionais). Para a autonomia em modo eléctrico de 100 km seriam suficientes baterias com capacidade até 10 kWh. Com as baterias descarregadas, o range extender deveria ser suficiente para manter o veículo em circulação suburbana a uma velocidade média de 50 km/h. Todos os componentes utilizados na sua conversão deverão ser de produção em série e com preço relativamente baixo. O trabalho começou pelo dimensionamento dos principais componentes (motor eléctrico, baterias, motor de combustão, gerador, controlador, etc), de modo que o veículo consiga cumprir um circuito citadino real e um circuito por estrada, em andamento semelhante a um veículo normal. Para isso foi utilizado um software, desenvolvido em Excel, que contabiliza todos os fluxos energéticos relevantes (e.g. energias motora, de atrito, travagem, etc), durante o funcionamento de um veículo, seguindo um qualquer percurso real ou um ciclo normalizado. Foi também utilizado o software AVL Suite, habitualmente usado pelos construtores de veículos e que inclui o módulo Boost (motores de combustão) e Cruise (simulação de ciclos de condução). Os resultados indicam que, para um veículo de uma tonelada, será suficiente um motor elétrico com 10 kW de potência contínua e 30 kW de pico. Para os ciclos WLTC foi possível obter consumos de 8 kWh/100 km em modo elétrico e cerca de 3 L/100 km em modo "só gasolina", o que ultrapassou os objetivos pretendidos. No entanto a viabilidade económica será difícil, sobretudo face à inexistência no mercado de range extenders de pequena dimensão e potência., Successive restrictions on the circulation of vehicles with internal combustion engines have made the development of Diesel and patrol engines increasingly difficult and expensive, having already led to the progressive and widespread interest of brands in electric mobility. Electric vehicles, compared to conventional vehicles, allow reducing pollutant emissions and greenhouse gases in their use, using renewable energy sources, avoiding the use of fossil fuels, which are not renewable. However, most electric vehicles sold to date are of the upper-middle class with costs, weights and powers that are too high for the needs of urban traffic. The main objective of the work was to analyze the technical and economic feasibility of converting an existing small city vehicle (e.g. Citroën C1 type) to an electric traction vehicle, with a range in electric mode of 100 km, 100 km/h maximum speed and fuel consumption less than 10 kWh/100 km. An analysis was made of the feasibility of assembling a small thermal engine (about 125 cc, 4T) coupled to an electric generator as a range extender. The vehicle would only be used for urban and suburban traffic (national roads). For autonomy in electric mode of 100 km would be enough batteries with a capacity of up to 10 kWh. With the batteries discharged, the range extender should be enough to keep the vehicle in suburban traffic at an average speed of 50 km/h. All the components used in its conversion must be of series production and with a relatively low price. The work started with the dimensioning of the main components (electric motor, batteries, combustion engine, generator, controller, etc.). so that the vehicle can complete a real city circuit and a road circuit, in a similar way to a normal vehicle. For this, a software, developed in Excel, was used, which accounts for all relevant energy flows (e.g. motor, friction, braking energies, etc.), during the operation of a reference vehicle (without defined traction system) following a any real path or a normalized cycle. The AVL Suite software, commonly used by vehicle manufacturers, was also used, which includes the Boost module (combustion engines) and Cruise (driving cycle simulation). The results indicate that, for a one-ton vehicle, an electric motor with 10 kW of continuous power and 30 kW of peak power will be sufficient. For the WLTC cycles, it was possible to obtain consumptions of 8 kWh/100 km in electric mode and about 3 L/100 km in "petrol only" mode, which exceeded the intended objectives. However, economic viability will be difficult, especially given the lack of small and powerful range extenders in the market.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Os seres humanos passam a maior parte das suas vidas no interior de edifícios, sendo crescente a necessidade do uso de energia para garantir adequadas condições de conforto térmico. Este tem grande influência na saúde e bem-estar do individuo ao permitir a realização das suas atividades de forma satisfatória. No entanto a climatização de edifícios acarreta atualmente consumos elevados de energia, seja renovável ou fóssil, esta última prejudicial ao meio ambiente devido à emissão de gases de efeito estufa (GEE). No sentido de intensificar a procura por melhores soluções que promovam o desempenho energético nos edifícios e mitigar a emissão de GEE, foi publicado em Portugal o Decreto-Lei nº 101-D/2020 que estabelece novos requisitos para melhoria do seu desempenho energético, transpondo a Diretiva (UE) 2018/844 e revogando o Decreto-Lei nº 118/2013. Esta regulamentação abre novas possibilidades para a reabilitação do parque habitacional. Este trabalho teve como objetivo simular uma moradia tradicional localizada na cidade de Braga e comparar os resultados após a sua conversão num edifício nZEB, levando-a a um alto desempenho e classificação energética, bem como ao conforto térmico. Para tal fizeram se dois tipos de simulações, uma sazonal com recurso as folhas de cálculo do ITecons e outra com dinâmica horária multizona, usando o programa EnergyPlus (EP) o qual também permite a análise do conforto térmico. A metodologia sazonal levou a uma classe energética F para a moradia existente a qual passou para A+ após a aplicação das medidas de melhoria para a conversão em edifício nZEB. As simulações dinâmicas com o EP apresentaram resultados energéticos algo diferentes com a moradia a passar da classe C para A após as melhorias. A análise de conforto indicou melhorias significativas para o edifício nZEB, sobretudo nas divisões do piso superior (quartos de dormir), no verão e quando o sistema de climatização estava desligado, compreensíveis face ao tipo de cobertura da moradia tradicional. De um modo geral as disparidades nos resultados obtidos com os dois tipos de simulações, podem ser justificadas pelas diferenças na complexidade e filosofia das duas metodologias., Human beings spend most of their lives inside buildings leading to a growing need of energy to ensure the adequate thermal comfort conditions. This has great influence on the health and well-being of the individual by allowing him to carry out his activities in the best possible and satisfactory way. However, the air conditioning of buildings currently entails high energy consumption, whether renewable or fossil, the latter being harmful to the environment due to the emission of greenhouse gases (GHG). In order to intensify the demand for better solutions that promote energy performance in buildings and mitigate the emission of greenhouse gases (GHG), decree-law No. 101-D/2020 was published in Portugal, establishing new requirements for the energy performance of buildings, transposing Directive (EU) 2018/844 and repealing Decree-Law No. 118/2013. This regulation opens up new possibilities for the rehabilitation of the existing housing stock. This work aimed to energetically simulate a three-bedroom villa located in the city of Braga and compare the results after its conversion into an nZEB building, leading it to a high performance and energy rating, as well as thermal comfort. To this end, two types of simulations were performed, a seasonal one using the ITecons spreadsheets and another with multi-zone hourly dynamics, using the EnergyPlus (EP) program which also allows the analysis of thermal comfort. The seasonal methodology led to an energy F rating for the existing villa which passed to A+ after the implementation of improvement measures for the conversion into a nZEB building. The dynamic simulations with EP showed somewhat different energy results with the detached house moving from class C to A after the improvements. The comfort analysis indicated significant improvements for the nZEB building, especially in the upper floor divisions (bedrooms), in the summer and when the HVAC system was switched off, understandable by the type of roof of the traditional villa. In general, the differences in the results obtained with the two types of simulations can be explained by the differences in complexity and philosophy of the two methodologies.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, O crescimento significativo da procura mundial de energia, introduziu uma pressão no consumo de energia de fontes fósseis, o que resultou nas consequências ambientais conhecidas. Nesse contexto, energias renováveis, como a solar, térmica, fotovoltaica, eólica e hidráulica surgiram como alternativas energéticas inevitáveis. O objetivo fundamental desta dissertação foi a análise de um sistema de produção de energia renovável para uma aplicação de rega. Para o efeito, dimensionou-se uma instalação fotovoltaica para suprimir as necessidades de rega, tentando atingir o melhor compromisso entre a produção da unidade fotovoltaica e o perfil de consumo de energia. O Decreto-de-Lei n. º153/2014 veio regulamentar e potenciar o autoconsumo energético, permitindo a qualquer empresa ou particular produzir a sua própria eletricidade e reduzir os encargos financeiros com esta despesa mensal. Deste modo, o autoconsumo veio possibilitar aos consumidores/empresas reduzirem a sua dependência das variações de preço de mercado da eletricidade. Iniciou-se pelo estudo de um sistema de rega já existente e do seu perfil de consumo energético em função das necessidades de rega de uma plantação de mirtilos. Em 2017, foi instalada uma unidade de produção para autoconsumo, utilizando tecnologia fotovoltaica e com uma potência instalada de 3 kWp em Baião, região de Vilamoura. Todos os componentes do sistema foram caracterizados e foi estimado o consumo de energia elétrica com vista ao estudo do funcionamento ótimo do sistema de rega, otimizando-o para as horas de maior exposição e produção solar. Foi utilizado o software PVsyst para a modelação do caso de estudo através da seleção e dimensionamento dos componentes da instalação, considerando a localização e os dados meteorológicos obtidos pelo programa comercial Meteonorm. A simulação com o PVsyst permitiu estimar a energia disponível à saída do inversor, a energia injetada na rede e a energia requerida da rede para suprimir as necessidades de consumo nos períodos sem produção. Por fim foi avaliada a viabilidade económica do projeto, analisando três principais cenários de funcionamento. Em termos de resultados, estimou-se um consumo de 3582 kWh/ano, sendo que o sistema tem uma produção anual de 4514 kWh à saída do inversor. A energia excedente e que potencialmente poderia ser injetada na rede, corresponde a 1973 kWh/ano. Do ponto de vista económico, a viabilidade do sistema está condicionada pelos elevados custos de investimento., The significant growth in world energy demand has introduced pressure on the consumption of energy from fossil fuels, which has resulted in the well-known environmental consequences. In this context, renewable energies such as solar, thermal, photovoltaic, wind and hydroelectric have emerged as unavoidable energy alternatives. The main objective of this dissertation is the analysis of a renewable energy production system for an irrigation application. For this purpose, a photovoltaic installation was designed to suppress the irrigation needs, trying to reach the best balance between the electricity produced by the photovoltaic and the energy consumption profile. The Decree-of-Law n. º153/2014 came to regulate and boost energy self-consumption, allowing any company or final consumer to produce their own electricity and, thus, reduce the financial burden of this monthly expense. In this way, self-consumption made it possible for consumers/companies to reduce their dependence on electricity market price variations. The study began with the analysis of an existing irrigation system and its energy consumption profile, depending on the irrigation needs of a blueberry plantation. In 2017, a production unit for self consumption was installed, using photovoltaic technology and with an installed capacity of 3 kWp in Baião, Vilamoura region. All system components were characterized and the electricity energy consumption was estimated with a regarding the optimal functioning of the irrigation system, aiming its optimization for the periods of greater solar exposure and energy production. The PVsyst software was used to model the case study through the selection and dimensioning of the installation's components, considering the location and meteorological data obtained by the commercial program, Meteonorm. The simulation with PVsyst allowed estimating the energy available at the inverter exit, the energy injected into the grid and the energy required from the grid to suppress consumption needs in periods without production. Finally, the economic feasibility of the project was evaluated, where three main operating scenarios were evaluated. It was estimated a consumption of 3582 kWh/year and the system has an annual production of 4514 kWh at the inverter outlet. The excess energy that can potentially be injected into the grid corresponds to 1973 kWh/year. From the economic point-of-view, it was concluded that the PV system viability is conditioned by the high investment costs.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Wind field reconstruction is a method established to better understand park level aerodynamics, and to be able to control specific turbines in a wind park. It can be used in case anything happens with the turbine (for example, a sensor failing) that will cause the lack of information about the conditions of the wind reaching that turbine. This is critical since every turbine is monitored to continually guarantee that they are facing the wind in order to produce an optimal amount of energy. When all the available wind sensors fail, the production needs to be stopped. Because of this, flow reconstruction and forecasting values of wind characteristics such as wind speed and wind direction on a turbine, are methods that have been studied and validated for a long time. This dissertation aims to study how flow reconstruction in a wind park can aid in understanding turbines' conditions and interaction in a wind park and the wind characteristics on a specific location. Specifically, this dissertation tests seven statistical models developed in Matlab to understand the ability of the models to accurately represent the values of wind speed and wind direction of a turbine, given the dataset of the other remaining turbines in the park. To test the hypothesis that adding more specific wind-related parameters to the models would improve their results, the first model tested was a more straightforward approach, where it was tested a regression analysis. Afterward, parameters as the distance between turbines, possible wake with some of the turbines in the park, and statistical analysis results were added or experimented in the models to understand if the results improved. One of the models constructed followed a different approach, and it was based on wind particles, and considering a viscosity condition and the last model developed was a machine learning model. The results suggest that investing in statistical parameters, combined with wind park information will lead to optimal results. Also, machine learning models, possibly developed even further, are algorithms that, combined with a low computational cost, will lead to a very accurate representation of the real wind speed and wind direction values that a turbine is measuring. Another possible conclusion was that every turbine has different behaviour and will present a different error for the same model since they are scattered in a wind park. In some cases, other turbines can surround them and cause disturbances in the wind or cause difficulties for the models to estimate some variations on these turbines, while others are isolated., A reconstrução de parâmetros do vento é um método estabelecido de forma a auxiliar um maior conhecimento da aerodinâmica de um parque de turbinas eólicas e ser possível ter controlo de turbinas específicas num parque, em caso de uma falha de sensores, por exemplo, que poderá levar a uma falta de informação sobre as condições de vento às quais a turbina está exposta e esta é uma informação crítica sendo que o controlo da turbina é feito de forma a garantir que a turbina esteja sempre alinhada com a direção predominante do vento, para produzir uma quantidade de energia otimizada. Quando os sensores de vento falham, a produção da turbina precisa de ser travada. Dessa forma, a reconstrução do vento e estimativa dos valores de características como velocidade e direção, são métodos que têm sido estudados e testados ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo estudar e investigar de que forma a reconstrução do vento num parque de turbinas eólicas pode auxiliar a perceber as condições a que as turbinas estão expostas, interações entre estas num parque e as características de vento em localizações específicas. Especificamente, esta dissertação testa sete modelos estatísticos diferentes desenvolvidos no Matlab de forma a perceber quais dos modelos conseguiria representar as característias do vento com a menor margem de erro, tendo como dados de entrada dados reais das restantes turbinas do parque. Para testar a hipótese de que acrescentar um grau de complexidade aos modelos, considerando parâmetros de vento mais específicos, iria melhorar os seus resultados, o primeiro modelo testado foi uma abordagem mais simples, tendo sido testada uma análise de regressão. Posteriormente, foram adicionados parâmetros como a distância entre turbinas, possível efeito de wake entre estas e análises estatísticas foram acrescentados e testados em novos modelos, para verificar se os resultados eram otimizados. Um dos modelos construídos foi baseado em partículas de vento e considerando viscosidade entre estas, e o último modelo desenvolvido foi relativo a machine learning. Os resultados sugerem que combinar parâmetros estatísticos com informação específica do parque pode levar aos melhores resultados. Além disso, modelos de machine learning, possivelmente ainda mais complexos, são algoritmos que, com um custo computacional baixo, garantem uma representação de velocidade do vento e direção muito realista. Outra conclusão possível foi que cada turbina tem um comportamento diferente para o mesmo modelo. Em alguns casos, outras turbinas perto podem causar distúrbios e mudanças no vento que chega a turbina que está a ser estimada e isto poderá causar dificuldades na forma como os modelos preveem os valores de velocidade e direção.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Hoje em dia há uma crescente preocupação por parte dos consumidores em eliminar, reduzir ou conter custos associados aos elevados consumos de energia e à proteção do meio ambiente. Em Portugal, grande parte das instalações industriais são antigas, traduzindo-se em tecnologia ultrapassada e pouco eficiente e na utilização da energia de forma ineficiente, implicando consumos desnecessários. No entanto, as pequenas empresas nacionais não são abrangidas pelo Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE), estas não se encontram estimuladas legalmente a melhorar a forma como usam a energia. A presente dissertação, executada sob a alçada da One – Eficiência e Engenharia, Lda., teve como finalidade a elaboração de uma auditoria energética e avaliação de medidas de eficiência energética a uma empresa de fabrico de borrachas técnicas, que no ano civil de 2020 apresentou um consumo global de 275.1 tep, pelo que ao abrigo do Decreto-Lei n.º 68-A/2015, não se encontra na obrigatoriedade de cumprir o regulamento SGCIE, mas foi vontade dos responsáveis da empresa aderirem de forma voluntária. Desta forma encontra-se obrigada a racionalizar os seus consumos de acordo com as metas legais (Decreto-Lei n.º 71/2008, de 15 de abril, alterado pelo Decreto-Lei n.º 68-A/2015), nomeadamente e até ao final do período de 8 anos de aplicação do ARCE: a redução de 4% do consumo específico e da intensidade energética; a manutenção ou redução do valor da intensidade carbónica. Fizeram-se visitas à empresa, para uma análise da instalação e dos equipamentos existentes, sendo também pedida documentação relativa aos consumos da empresa. Foram realizadas monitorizações com um equipamento de análise de consumos de energia da empresa durante um período de tempo. O conjunto de informações recolhido foi posteriormente analisado e estudado, resultando num conjunto de sugestões e medidas para futura implementação na empresa. É importante referir que o principal objetivo destas medidas de utilização racional de energia (MURE) visa melhorar o desempenho energético e económico da empresa, sem afetar o processo produtivo. Com os resultados da auditoria, avaliou-se o potencial, em termos económicos e ambientais, de implementação de todas as medidas propostas para otimização da eficiência energética. Se forem implementadas todas as medidas propostas, a instalação deverá obter uma redução de 22% no seu consumo específico de energia primária., In this day and age, consumers are increasingly concerned about eliminating, reducing or containing the costs associated with high energy consumption and the protection of the environment. Most industrial facilities use outdated technologies that lead to the inefficient use of energy and to avoidable energy consumption. However, national small companies are not covered by the Intensive Energy Consumption Management System (SGCIE) regulation, so that they are not legally encouraged to improve the way they use energy. This dissertation, carried out under the auspices of One – Eficiência e Engenharia, Lda., aimed to prepare an energy audit and to evaluate the need of energy efficiency measures for a company manufacturing technical rubbers, that in 2020 presented a global consumption of 275.1 tep, which is why, under Decree-Law n.º 68-A/2015, it is not mandatory to comply with the SGCIE regulation, but it was the will of the company's managers to adhere voluntarily. In this way, the company will rationalize its energy in accordance with the legal goals (Decree-Law 71/2008, amended by Decree-Law 68-A/2015), namely: reduction of 4% of specific energy and energy intensity, preservation of the carbon intensity values. Visits were made to the company for an analysis of the installation and existing equipment, and documentation on the company's consumption was also requested. Monitoring was carried out with the company's energy consumption analysis equipment over a period. The set of information collected was later analysed and studied, resulting in a set of suggestions and measures for future implementation by the company. It is important to mention that the main objective of these measures for the rational use of energy is to improve the energy and economic performance of the company, without affecting the production process. With the results of the audit, the potential, in economic and environmental terms, of implementing all the measures proposed to optimize energy efficiency was assessed. By implementing all these proposed measures, the company will achieve a 22% reduction in primary energy consumption.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, De acordo com o relatório da Organização Mundial para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE), no ano de 2019, verificaram-se, novamente, aumentos nos consumos mundiais de energia primária e nas respetivas emissões de Gases com Efeito de Estufa (GEE). Torna-se, assim, por demais evidente que o estudo da eficiência energética desempenha um papel de enorme responsabilidade na racionalização destes valores. A dissertação que se apresenta aborda a execução de uma auditoria energética a um estabelecimento industrial têxtil concreto, inserido no subsetor de branqueamento e tingimento têxtil, abrangido pelo Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia (SGCIE). Nas condições previstas pelo Decreto-Lei n.˚68-A/2015, torna-se obrigatória a execução de uma auditoria energética, visto que a instalação alvo apresentou, no ano civil de 2019, um consumo anual de energia primária de 3 454 toneladas equivalente de petróleo (tep). A caracterização energética da instalação e a identificação de potenciais programas de investimento em sistemas energéticos, conducentes ao aumento da eficiência energética e/ou redução da fatura energética da empresa, foram as principais finalidades deste estudo. De modo a efetuar-se a auditoria em questão, tornou-se essencial a realização de um enquadramento bibliográfico, abordando-se o consumo de energia nacional e mundial, bem como a respetiva legislação atualmente em vigor. De seguida, adotou-se a metodologia que seria a base do projeto, sendo esta etapa sucedida pela elaboração de um caderno subsetorial, referente à atividade empresarial em que a instalação alvo da auditoria se insere. Posteriormente, tiveram lugar etapas fundamentais ao processo de auditoria energética, nomeadamente a recolha de dados e planeamento da intervenção, os levantamentos e medições de campo e o tratamento e análise de toda a informação obtida. Por fim, com vista na implementação de um processo contínuo e eficiente de gestão da energia consumida na instalação e de forma a alcançarem-se os objetivos legalmente exigidos, foram ainda identificadas Medidas de Utilização Racional de Energia (MURE), destacando-se o dimensionamento de uma Unidade de Produção para Autoconsumo (UPAC) e a reativação do Sistema de Recuperação de Calor dos Efluentes Quentes da Tinturaria, constituintes do Plano de Racionalização dos Consumos Energéticos (PREn) da instalação auditada., According to the report of the Organization for Economic Co-operation and Development (OECD), in the year of 2019, there were, once again, increases in the world’s consumption of primary energy and in the respective emissions of Greenhouse Gases (GHG). It thus becomes all too clear that the study of energy efficiency plays an enormously responsible role in the rationalization of these values. The dissertation that is presented addresses the execution of an energy audit to a textile industrial establishment, inserted in the textile bleaching and dyeing subsector, covered by the Intensive Energy Consumption Management System (SGCIE). According to the Portuguese regulation conditions, provided by the Decree-Law nº 68-A/2015, it is mandatory to execute an energy audit, since the targeted industrial plant, in the calendar year of 2019, presented an annual primary energy consumption of 3 454 tonnes of oil equivalent (toe). The industrial plant’s energy characterization and the identification of potential investment programs in energy systems, that would lead to an increase in the overall energy efficiency and/or a reduction in the company’s energy expenses, were the main purposes of this study. In order to carry out the energy audit mentioned, the study of a bibliographic framework became essential, addressing the national and global energy consumption, as well as the respective legislation currently in force. Then, the methodology that would be the basis for this project was adopted and this step was followed by the elaboration of a subsector notebook, referring to the business activity in which the audited industrial plant is inserted. Subsequently, fundamental steps were taken so that audit the targeted industrial plant, namely the collection of data and intervention, the field surveys and measurements and the treatment and analysis of all the obtained information. Finally, with a view to implement a continuous and efficient management process of the industrial plant’s energy consumption, and in order to achieve the required legal objectives, Rational Energy Use Measures (MURE) were also identified, emphasizing the project of a Production Unit for Self-consumption (UPAC) and the Reactivation of the Dyeing’s Hot Effluents’ Heat Recovery System, as part of the audited industrial plant’s Energy Consumption Rationalization Plan (PREn).

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, No âmbito do sistema de certificação energética de 2013, houve uma atualização dos anos meteorológicos de referência, ou seja, os valores base usados para previsão de produção de energia solar térmica ou fotovoltaica e simulação térmica de edifícios. Existe um especial interesse na otimização destes sistemas, uma vez que Portugal tem níveis de insolação elevados e o setor tem beneficiado de desenvolvimentos tecnológicos que permitiram aumentar a sua eficiência. Esta dissertação tem como principal objetivo a análise dos diferentes métodos de determinação dos anos meteorológicos de referência, aplicados ao município de Braga. Nesse sentido, efetuou-se um estudo sobre os conceitos fundamentais relacionados com a geometria solar, identificaram-se os melhores métodos para o tratamento de dados com vista à construção de uma ferramenta de análise para a realização dos estudos de previsão. Assim, desenvolveu-se uma ferramenta de cálculo, em suporte Excel, para comparar os dados de radiação entre as bases climáticas selecionadas. Foram consideradas diferentes configurações de seguimento solar: sistema biaxial, sistema de eixo polar, sistema de eixo vertical de inclinação igual à latitude, sistemas de eixo horizontal e o sistema fixo. Adicionalmente, compararam-se para as mesmas condições, o impacto da atualização dos anos meteorológicos entre a ferramenta desenvolvida e um programa comercial, o PVsyst, validando-se a consistência da ferramenta desenvolvida. A atualização da base de dados resultou num aumento significativo da incidência solar total. Concluiu-se que os sistemas de seguimento de um eixo: polar e vertical apresentam valores muito próximos do sistema biaxial, que maximiza a incidência no painel. Todavia, é a instalação mais complexa. A aplicação de modelos atmosféricos simples para estimativa/previsão de incidência total de radiação em painéis fixos apresenta valores mais conservadores relativamente aos modelos mais complexos., For 2013, the energy certification system, introduced an update to the reference meteorological years, i.e., the base values used for forecasting the production of solar thermal or photovoltaic energy and thermal simulation of buildings. There is a special interest in optimizing these systems, since Portugal has high insolation levels and the sector has benefited from technological developments that have allowed to increase its efficiency. The main objective of this dissertation is the analysis of the different methods of determination of the meteorological years of reference, applied to the municipality of Braga. In this way, a study was carried out on the fundamental concepts related to solar geometry, and the best methods for data processing were identified in order to construct an analysis tool for the performance of prediction studies. Thus, a calculation tool was developed, in Excel, to compare the radiation data between the selected climatic bases. Different solar follow-up configurations were considered: biaxial system, polar axis system, vertical axis tilt system equal to the local latitude, horizontal axis systems and fixed system. Additionally, the impact of updating the meteorological years between the developed tool and a commercial program, the PVsyst, was compared to the same conditions, validating the consistency of the developed tool. The update of the database resulted in a significant increase in the total solar incidence. It was concluded that the segments of one axis follow-up: polar and vertical present values very close to the biaxial system, which maximizes the incidence in the panel. Although, it corresponds to the most complex installation. The application of simple atmospheric models to estimate/predict the total radiation incidence in fixed panels presents more conservative values, when compared to the more complex models.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Atualmente há uma grande necessidade de recorrer a fontes de energia renováveis devido não só à crescente possibilidade de escassez dos recursos fósseis, mas sobretudo face à crescente consciencialização ambiental, com as energias renováveis a serem consideradas “limpas” e menos nocivas para a natureza. Isto acarreta a que o ramo da energia eólica tenha de estar na vanguarda dos recursos disponíveis, sendo esta a principal motivação do desenvolvimento deste trabalho. O objetivo deste trabalho passou por estudar os pequenos aerogeradores de eixo horizontal e a sua respetiva aerodinâmica. Posteriormente procedeu-se a conceção de um rotor com base na teoria do elemento e momento de pá (BEMT), de forma analítica (folha de cálculo Excel) e recorrendo ao software de cálculo de código aberto, o Qblade. Para cumprir estes objetivos, iniciou-se o projeto com uma revisão bibliográfica relativa ao fenómeno do vento, evolução dos aerogeradores e mais concretamente na aerodinâmica que esta associada a estes. Posteriormente, mediante algumas condições de projeto, selecionou-se um perfil alar para o rotor, analisou-se o seu comportamento e recorrendo à teoria do elemento e momento de pá (BEMT) e a uma folha de cálculo Excel, foi possível obter a distribuição da corda e do ângulo de torção para as pás do rotor. Depois através da utilização do software de cálculo de código aberto, o Qblade, que utiliza o modelo invíscido (escoamento potencial) aliado a correções inerentes à viscosidade do fluido (leis de parede), foi possível obter uma nova distribuição da corda e do ângulo de torção, o desempenho do rotor para várias velocidades do vento e de rotação (curva de potência da turbina eólica) e por fim obteve-se também uma estimativa da produção anual de energia (produção esta que foi posteriormente comparada com dados eólicos obtidos pelo Departamento do DEM – com base em distribuições de Weibull normalizadas). A aplicação da teoria BEMT permitiu obter uma pá ideal para as condições de projeto selecionadas. Sendo que no software em comparação com a folha de cálculo existe principalmente uma grande diferença relativamente aos ângulos de torção, relativamente a corda os valores são bastante parecidos. Em relação a produção anual de energia os valores são semelhantes., Currently, there is a great need to use renewable energy sources due to the growing possibility of scarcity of fossil resources, such as coal and oil, and also due to the environmental awareness, since renewable energies are considered clean and less harmful to the atmosphere. This means that the wind energy industry has to be at the forefront of available resources, which is the main motivation for the development of this work. The objective of this work was to study small horizontal axis wind turbines and their respective aerodynamics. Subsequently, a rotor was designed based on the blade element and moment theory (BEMT), analytically (Excel spreadsheet) and using the open source calculation software, Qblade. In order to fulfill these objectives, the project began with a literature review on the phenomenon of wind, evolution of wind turbines and more specifically on the aerodynamics associated with them. Subsequently, under some design conditions, a wing profile for the rotor was selected, its behavior was analyzed and using the blade element and moment theory (BEMT) and an Excel spreadsheet, it was possible to obtain the distribution of the rope and the angle of twist for the rotor blades. Then, through the use of open source calculation software, the Qblade, which uses the inviscid model (potential flow) combined with corrections inherent to the fluid viscosity (wall laws), it was possible to obtain a new distribution of the chord and the angle of torsion, the performance of the rotor for various wind speeds and rotation (wind turbine power curve) and finally an estimate of the annual energy production was also obtained (this production was later compared with wind data obtained by the Department of DEM – based on normalized Weibull distributions). The application of BEMT theory allowed to obtain an ideal blade for the selected design conditions. Since in the software compared to the spreadsheet there is mainly a big difference regarding torsion angles, relative to the rope the values are quite similar. Regarding the annual energy production, the values are also similar.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Esta dissertação pretende desenvolver um sistema de aquisição e processamento de dados que permita a análise dos ciclos de condução dos automóveis. Através da realização de ciclos de condução é possível avaliar as emissões de poluentes e consumo de combustível no automóvel. Para se conseguir essas análises é necessário um conjunto de dados como, por exemplo, a velocidade, altitude e direção do movimento. Desenvolveu-se uma placa de aquisição capaz de recolher esses dados e guardá-las para análise. Os dados são provenientes do sensor GPS, acelerómetro, giroscópio, bússola e da porta de diagnóstico do veículo. A placa de aquisição é controlada recorrendo a um microcontrolador. Como sistema de comando da placa de aquisição e meio de visualização e extração de dados desenvolveu-se uma aplicação para smartphones Android. Essa aplicação conecta-se via Bluetooth à placa de aquisição sendo possível visualizar dados em bruto dos sensores e dados filtrados. Alguns dos dados são obtidos por mais que um sensor ou então são possíveis de ser calculados por mais de uma forma. A esses dados é aplicado um filtro de Kalman que funde as respetivas variáveis num único resultado cujo o valor tende a ser mais estável. Por fim, é gravado na memória do telemóvel um ficheiro de dados que reúne todas as variáveis envolvidas no sistema de aquisição. Com esse ficheiro consegue-se analisar com maior detalhe os dados obtidos do ciclo de condução., The goal of this thesis is to develop an acquisition and data processing system that allows to perform the analysis of vehicle’s driving cycles. Through a driving cycle is possible to evaluate pollutant emissions and fuel consumption. In order to achieve these analysis, a set of metrics are required, such as velocity, altitude and direction of movement. Therefore, an acquisition board was developed to collect these metrics and store them. The data comes from a GPS sensor, accelerometer, gyroscope, compass and On Board Diagnostics port of the vehicle. The acquisition board is controlled using an microcontroller. To serve as the acquisition board control system and as a data display and extraction, an application has been developed for Android smartphones. This application connects to the acquisition board via Bluetooth, allowing to display raw data provided by the sensors and computed/filtered data. Some of the data are obtained by more than one sensor or can be calculated in several different ways. These data are processed by a Kalman filter that merges them into one single output. Finally, a data file containing all the metrics involved in the acquisition system is stored in the phone's memory.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica - Área de Especialização Energia e Ambiente, O consumo de combustíveis fósseis continua a aumentar, o que causa muitos problemas de sustentabilidade, levando ao aumento do interesse da redução da sua dependência. Além disso, as exigentes normas da União Europeia levam ao impulsionamento e desenvolvimento tecnológico da área automóvel, principalmente, na melhoria da sua eficiência energética e redução de emissões. O presente trabalho avalia o potencial de aproveitamento do calor residual dos gases de escape de um automóvel para produção de eletricidade, considerando três configurações de ciclos de Rankine, nomeadamente, o ciclo de Rankine simples, o ciclo de Rankine com sobreaquecedor e o ciclo de Rankine com recuperador. Para tal, foram desenvolvidos os modelos numéricos para a análise termodinâmica das três configurações de ciclo, utilizando os resultados experimentais de um automóvel equipado com um motor de combustão interna de ignição por faísca. Além disso, foi estudado a utilização de um permutador de calor de tubos e camisa. Para a análise termodinâmica foram considerados como fluidos de trabalho a água e os fluidos orgânicos benzeno, R123, R134a, R141b, R236ea, R245fa, R600 e R601. O ciclo de Rankine demonstrou ser a configuração mais adequada para recuperação térmica dos gases de escape de um automóvel. Também se demonstrou que a utilização da água é mais benéfica do que os fluidos orgânicos. Contudo, é necessário o seu sobreaquecimento de modo a realizar-se uma expansão seca. Considerando o ciclo de Rankine e permuta de calor ideal, os resultados obtidos revelam, à pressão de vaporização de 25bar, um rendimento termodinâmico do sistema para os fluidos R141b e água, respetivamente, de 13% e 15%. Além disso, a energia produzida pela turbina apresenta-se na gama de 1,4kW a 4,4kW. O sobreaquecimento da água de 238ºC, à pressão de vaporização de 25bar, apresenta cerca de 23,7% de rendimento termodinâmico do sistema e uma gama de produção de energia entre 2kW e 2,6kW. Os resultados obtidos confirmam a vantagem na recuperação térmica dos gases de escape para produção de energia elétrica através da aplicação de um sistema de ciclo de Rankine., The consumption of fossil fuels continues to increase causing many sustainability problems of which has lead to the increase of the interest in reducing its dependency. Furthermore, the demanding European Union standards lead to technological development and pushing forward the automotive field, especially in improving their energy efficiency and decreasing emissions. This work evaluates the potential of the use residual heat from the exhaust gases of a vehicle for electricity production using three configurations of Rankine cycles, namely, the Rankine cycle, the Rankine cycle with superheater and the Rankine cycle with recuperator. For this, the numerical analysis for the thermodynamic cycle of the three configurations using the experimental results of a vehicle equipped with a spark ignition internal combustion engine has been developed. Furthermore, the use of a heat exchanger shell and tube has been studied. For the thermodynamic analysis the water and the organic fluids, benzene, R123, R134a, R141b, R236ea, R245fa, R600 and R601 were considered as working fluids. The Rankine cycle proved to be the most suitable configuration for the heat recovery of the exhaust gas enthalpy of vehicle. It was also demonstrated that the use of water is more beneficial than the organic fluids, however overheating in order to achieve a dry-expansion is required. Considering the Rankine cycle and ideal heat transfer, the results show, for an evaporation pressure of 25bar, a thermodynamic efficiency of the system for R141b and water of 13 % and 15%, respectively. Furthermore, the energy produced by the turbine is in the range of 1,4kW to 4,4kW. The overheating of the water up to 238ºC at an evaporation pressure of 25bar shows a thermodynamic efficiency of the system of around 23,7% and a range of energy production from 2kW to 6,6kW. The results confirm the merit of the heat recovery of the exhaust gas to produce electricity by the application of a Rankine cycle system.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente), As crescentes preocupações ambientais e o receio constante pela futura escassez das reservas de petróleo a nível mundial, acompanhada pela subida do seu preço, levaram a União Europeia a definir exigentes normas para o sector automóvel, o que tem impulsionado o seu desenvolvimento tecnológico embora com custos acrescidos. Em 1999 a indústria automóvel chegou a um acordo para fazer uma redução gradual do nível de emissões de GEEs e de poluentes para novos veículos. No entanto, nos primeiros anos do acordo, essa redução foi inferior ao esperado pelo que os fabricantes começaram a explorar as flexibilidades do teste de homologação para conseguirem atingir as metas mais restritas impostas pela UE a partir de 2007, levando ao aumento da diferença entre consumos certificados e reais. Para se poder comparar e expor as debilidades dos ciclos de condução utilizados na certificação de consumos e emissões, foi desenvolvido no presente trabalho uma metodologia para a caracterização energética destes ciclos de condução normalizados ou de ciclos reais. Esta metodologia será também muito útil na análise e dimensionamento dos futuros sistemas de propulsão de veículos, e.g. híbridos ou eléctricos. O estudo incluiu a aquisição e tratamento dos dados recolhidos por um sistema GPS em três percursos: um citadino, um por estrada Nacional e um terceiro maioritariamente por autoestrada. Os dados tratados foram séries no tempo e no espaço da altitude, velocidade e aceleração lateral do veículo. Seguiu-se a utilização de um modelo físico desenvolvido na plataforma MatLab/Simulink, que permite a determinação dos vários fluxos energéticos envolvidos na circulação de um veículo genérico ao longo dos percursos reais ou dos ciclos de condução normalizados. Finalmente foi desenvolvida uma metodologia, envolvendo a definição de uma série de parâmetros específicos, independentes ou pouco dependentes do veículo considerado, que permite a fácil caracterização energética e a comparação entre ciclos de condução. Os resultados provam que os consumos energéticos em percursos reais são significativamente superiores aos obtidos com os ciclos usados na homologação de novos veículos, sobretudo no caso Europeu mas também nos EUA. A principal razão prende-se com a energia associada às variações de altitude, não considerada na homologação, mas também na dinâmica mais agressiva da circulação real., The growing environmental concerns and the constant fear for a future shortage in worldwide oil reserves, together with price increases, lead the European Union to impose strict regulations to the automotive sector, thus promoting the technological development but at a cost for the consumer. From 1999, the automotive industry agreed upon a gradual reduction in the level of greenhouse gases and pollutant emissions for new vehicles. In the first years, however, the reduction was lower than expected, so that the manufacturers began to explore the flexibilities of the type-approval test, trying to reach the new targets imposed by the EU since 2007. This led to a growing gap between certified and real consumption figures. In this work an energy characterization methodology has been developed to compare and expose the weaknesses of the driving cycles used in the type-approval tests. The methodology will also be useful in the design of new vehicle powertrains (e.g. hybrid or electric). The study included the acquisition and processing of data obtained from a dedicated GPS system for three real routes: an urban circuit, a National suburban road and a motorway route. The collected data included time and space series of altitude, speed and lateral acceleration of the vehicle. The pre-processed real data, or the data from the type-approval tests, was then the input of a simulation model developed in MatLab/Simulink platform, which allows the determination of the various energy flows involved in the drive of a generic vehicle. Finally, a methodology was defined with several non-vehicle dependent parameters, thus allowing the energetic characterization and comparison of different real-life and type-approval driving cycles. The results indicate that the energy consumptions obtained with the real routes are considerably higher than those resulting from the type-approval driving cycles used, particularly in Europe but also in the United States of America. The main reasons seem to be the energies involved in the altitude variations (not considered in the type-approval tests) and the aggressiveness of nowadays real-world traffic.

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica, As preocupações ambientais nunca estiveram tão presentes como nos dias de hoje. As alterações climáticas e a crescente degradação ambiental são temas do quotidiano em todo o Mundo. Atualmente a Humanidade encontra-se perante decisões que poderão evitar, ou não, grandes catástrofes ambientais e humanitárias ou até mesmo a sua extinção a longo prazo. Neste contexto, perante a dupla necessidade de crescimento económico e compatibilização ambiental, surge a necessidade de novas soluções combustíveis com vista à locomoção e mobilidade. O incentivo aos transportes públicos, complementado com formas de combustíveis mais limpas é claramente um dos principais vetores das cidades de hoje. No entanto, tendo em conta as contingências económicas atuais, a evolução de sistemas existentes será uma das soluções a ter em conta. Os sistemas dual-fuel são disso exemplo: permitem conjugar a tecnologia Diesel existente e a utilização de gás natural. Disto estão cientes as instituições europeias assim como as agências norte americanas do ambiente. Recentemente, relatórios de diferentes proveniências dão nota de elevadíssimos níveis de poluentes nas cidades, nomeadamente nos valores de óxidos de azoto (NOx) e de partículas inaláveis PM10 e PM2,5. Estas partículas são constituídas por poeiras, sujidade, fuligem, fumos ou gotículas de líquido, inferiores a 10 micrómetros de diâmetro, que uma vez inaladas se acumulam no sistema respiratório. As partículas com menos de 2,5 micrómetros de diâmetro (PM2,5) são referidas como partículas "finas" e acredita-se que representam riscos elevados para a saúde. O seu pequeno tamanho (aproximadamente 1/30 da largura média de um fio de cabelo humano), origina o alojamento profundo no pulmão humano. A isto não é estranha a “dieselização” da Europa. Durante várias décadas este tipo de combustível foi incentivado através de políticas fiscais implementadas pelos estados membro. Desta forma o trabalho que se segue parte de uma abordagem a casos concretos ambientais para de seguida fazer a análise das normativas europeias de controlo ambiental de motores de combustão interna, sua evolução, com principal incidência na norma EURO 6 para veículos pesados. Prossegue para uma análise comparativa do que se passa dos dois lados do oceano demonstrando que, mesmo economicamente, a utilização de gás natural comprimido (GNC) e gás natural liquefeito (LNG) é uma mais-valia. Por fim, na perspetiva técnica do abastecimento, é analisado o sistema de compressão da estação situada em Braga e utilizada pelos Transportes Urbanos de Braga. Os resultados mostram que uma bomba GNC representa um investimento significativo, com custos de manutenção elevados e um custo energético no abastecimento superior a 10% do custo final do combustível e equivalente a 2,3% da sua energia., Environmental concerns have never been as present as today. Climate change and increasing environmental degradation are everyday issues throughout the world. Mankind is facing decisions that may avoid, or not, major environmental and humanitarian disasters, even its long-term extinction. New fuel solutions are needed for the transport sector to ensure both economic growth and environmental sustainability. The improvement of public transportation, complemented with new forms of cleaner fuels is one of the main pathways for the quality of life in our cities. However, due to ongoing economic issues, the upgrading of existing systems is one of the solutions available. Using dual-fuel systems is one of the good ways to do that, combining existing diesel technology with the use of natural gas. The European institutions, as well as the North American environmental agencies, are aware of that. Recent reports from different sources are giving notice of very high levels of pollutants in the cities, particularly in the amounts of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter PM10 and PM2.5. These particles are made of dust, dirt, soot, smoke or liquid droplets with less than 10 microns in diameter. Particles with less than 2.5 micrometres (PM2.5) are believed to pose the greatest health risks. Because of their small size (approximately 1/30th of a human hair), they can lodge deeply into the lungs. To all of this has contributed, for several decades, the encouragement of the European Union to the use of Diesel cars, through tax policies and incentives. This work begins with an approach to some environmental real case-studies followed by an analysis to the European Standards for the environmental control of internal combustion engines, its evolution, with the main focus on the EURO 6 Standard for heavy vehicles. Then, a comparative analysis is made of what is happening on both sides of the Atlantic, showing that there are both economic and ecological advantages in the use of compressed natural gas (CNG) and liquefied natural gas (LNG) vehicles. Finally, the technical perspective in the use and supply of CNG is examined. In particular, the compression system of a CNG pump station located in Braga and used by local transport services is analysed. The results indicate that a CNG pump represents a significant investment, with high maintenance costs and an energy compression cost of 10% of the final fuel cost and equivalent to 2.3% of its energy.

Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Engenharia Industrial e de Sistemas, The micro-CHP systems are a promising technology for improving the energy efficiency of small energy conversion units, located near the end user. The combined heat and power production allows the optimal use of the primary energy sources and significant reductions in carbon emissions. Its use, still incipient, has a great potential for applications in the residential sector. This study aims to develop a methodology for the thermal-economic optimization of micro cogeneration units using Stirling cycle engine as prime mover and concentrated solar energy as the heat source. A detailed thermodynamic study was carried out to define the model for the physical characterization of the Stirling engine. The study of the physical model includes three types of analysis: ideal isothermal, ideal adiabatic and non-ideal adiabatic analyses. The latter includes limitations in the heat transfer processes and losses due pumping effects. These analyses were performed through numerical simulations by eveloping a code in MatLab® programming language, based on the model developed by Urieli and Berchowitz. The mathematical modelling was modified, improved and adapted to adjust the configuration of the Stirling engine for cogeneration applications. Subsequently to its implementation, several sensitivity analyses on the operational and geometric parameters were conducted in order to understand which of them have the highest relevance in the Stirling engine performance. The definition of these criteria is crucial in the choice of the decision variables for the thermal-economic optimization model. After characterizing the physical model, a purchase cost equation representative of each system component was defined: a cost equation for each one of the heat exchangers (i.e. heater, regenerator and cooler) and a cost equation representative of the engine bulk. Each cost equation is based on physical parameters, taking into account the sizing of the system. Through data collected from market available Stirling systems, the most appropriate cost coefficients were defined and the cost equations were validated. fter the validation of both physical and economic models, the thermal-economic optimization was formulated. The maximization of the annual worth from the system operation was defined as the objective function, subjected to a set of nonlinear thermodynamic and economic constraints in order to give significance to the numerical results. The model was formulated considering a cost/benefit approach, where the terms of the objective function represent a balance between costs and revenues. The decision variables correspond to geometric and operational parameters with the highest relevance in the system operation. The Pattern Search algorithm was implemented to achieve the numerical solution, using different search methods, i.e., the Nelder-Mead and genetic algorithm method. The optimization model was effective in the determination of the optimal solution and a positive annual worth was obtained for the defined input simulation conditions. The thermal-economic model yielded the combination of decision variables that defines the best configuration for maximum economic benefit. Through the economic assessment of the best solution obtained for the micro-CHP system, and considering the costs for installing a solar concentrator collector, it can be that such a system is economically attractive, with a payback period of approximately 9 years., Os sistemas de micro-cogeração são uma tecnologia muito promissora para a melhoria da eficiência energética das pequenas unidades de conversão de energia localizadas junto ao utilizador final. A produção combinada de calor e eletricidade permite a otimização da utilização das fontes de energia primária e significativas reduções nas emissões de carbono. A sua utilização, ainda incipiente, possui um grande potencial para as aplicações no sector residencial. Este estudo visa o desenvolvimento de uma metodologia de otimização termo-económica dedicada ao desenvolvimento de unidades de micro-cogeração usando como tecnologia os motores de ciclo Stirling e a energia solar como fonte de calor. O trabalho iniciou-se com um estudo detalhado sobre o modelo termodinâmico para a caracterização física do motor Stirling. O estudo do modelo físico incluiu três tipos de análises: a análise ideal isotérmica, a análise ideal adiabática e a análise não ideal onde foram incluídas as limitações na transferência de calor e as perdas devido a efeitos de bombagem. O estudo das diferentes análises foi efetuado através de simulações numéricas com o desenvolvimento de um código de programação em linguagem MatLab®, tendo como base o modelo desenvolvido por Urieli e Berchowitz. Este foi modificado, melhorado e adaptado no sentido de a adequar à configuração do motor Stirling para aplicações em cogeração. Após a sua implementação, foram efetuadas várias análises de sensibilidade a parâmetros, quer operacionais quer geométricos, de modo a compreender quais os critérios mais influentes na performance do motor Stirling. A identificação destes critérios foi fundamental para a definição das variáveis de decisão a usar no modelo de otimização termo-económica. Após a caracterização do modelo físico, procedeu-se à definição das equações dos custos de investimento para cada um dos componentes do sistema. Assim, foram definidas quatro equações de custo: uma equação para cada um dos permutadores de calor (i.e. permutador de aquecimento, arrefecimento e regenerador) e uma equação representativa do corpo do motor. Cada uma das equações de custo foi definida com base em parâmetros físicos, tendo em consideração o dimensionamento do sistema. Através de dados recolhidos de sistemas Stirling já comercializados, foram definidos os coeficientes de custo mais adequados e procedeu-se à sua validação. Foi desenvolvido e implementado o modelo de otimização termo-económica. A maximização do lucro anual decorrente da operação do sistema foi definida como a função objetivo, estando sujeita a um conjunto de restrições não lineares de natureza termodinâmica e económica, com vista a dar significância aos resultados numéricos. O modelo foi formulado numa abordagem custo/benefício em que os termos da função-objetivo representam um balanço entre custos e receitas. O conjunto de variáveis de decisão que correspondem às variáveis geométricas e operacionais de maior relevância no sistema. Foi usado o algoritmo Pattern Search do Matlab® com uso de diferentes métodos de procura, isto é, o Nelder-Mead e os algoritmos genéticos, na resolução numérica do modelo. O modelo de otimização mostrou-se eficaz na determinação da solução ótima, tendo sido obtido lucros na operação do sistema para as condições de simulação definidas, assim como, a combinação ótima para as variáveis de decisão que definem a melhor configuração para o máximo benefício económico. Através da avaliação económica de aquisição deste sistema de micro-cogeração, e considerando os custos de instalação de um concentrador solar, verificou tratar-te de um projeto economicamente atrativo, com retorno de investimento de aproximadamente 9 anos., Fundação para a Ciência e Tecnologia for the PhD grant SFRH/BD/62287/2009. I also have to acknowledge CT2M and CGIT research centres of the School of Engineering at University of Minho for supporting my work.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente), No panorama energético actual, fortemente dependente dos combustíveis fósseis, nomeadamente do petróleo e cuja disponibilidade é finita, aliado à instabilidade político-económica mundial e às limitações cada vez mais restritivas das emissões gasosas, surge a necessidade premente de desenvolvimento de um modelo energético mais sustentável. O sector automóvel é um ávido consumidor de derivados do petróleo, devido à utilização maioritária de veículos equipados com motor de combustão interna (MCI), cujo baixo rendimento, faz dele um dos principais alvos neste contexto. De facto, apenas cerca de 1/3 da energia química contida no combustível é convertida em energia mecânica [1], sendo o restante desperdiçado sob a forma de calor. O aproveitamento do calor residual torna-se portanto crucial para a optimização energética do MCI. De entre os fluxos de calor residual dum MCI, o que tem maior potencial de aproveitamento é o dos gases de escape, devido à sua maior temperatura (maior exergia), resultando num maior ganho teórico de rendimento [2]. Uma das tecnologias mais promissoras no aproveitamento do calor residual é o ciclo orgânico de Rankine (ORC). Esta tecnologia apresenta bastantes semelhanças com um sistema de refrigeração por compressão de vapor, nomeadamente no que se refere ao fluido de trabalho e aos principais componentes. Neste contexto, a reconversão de componentes AVAC para implementação em sistemas ORC de aproveitamento de calor residual do MCI, apresenta-se como uma hipótese a considerar. No presente trabalho, foi analisada a possibilidade de implementação de um destes sistemas, tendo sido adoptada uma perspectiva o mais realista possível, visando avaliar o comportamento do veículo em condições reais de funcionamento, equipado com um motor a ignição comandada de 1.6L. Esta abordagem denominada de “wheel-to-exhaust”, consiste no cruzamento de três modelos distintos, dois deles já existentes; um modelo de ciclos de condução, que analisa os fluxos energéticos do veículo em percursos reais, incluindo declives e sinusidade; um modelo do MCI para análise do seu desempenho; um modelo do ORC que utiliza os dados cruzados entre os modelos anteriores para análise dos parâmetros relativos ao fluxo de gases de escape em situações reais de funcionamento do veículo. Para o cruzamento de dados foram utilizadas algumas estratégias inovadoras, destacando-se a determinação das marchas engrenadas no veículo em função das condições dinâmicas do percurso., The current energy model, with a resilient dependency on fossil fuels, especially on oil with its restrictive and finite availability, coupled with global political and economic instabilities and increasingly restrictive regulations on gaseous emissions, lead to the urgent need for a more sustainable energy paradigm. The automotive sector is an eager consumer of oil derivatives, due to the generalized use of the internal combustion engine (ICE), whose low efficiency makes it a prime target in this context. (As a matter of fact). Only about 1/3 of the fuel’s chemical energy is converted into mechanical power [1], with the remainder mostly wasted as heat. The engine waste heat recovery becomes crucial to its optimization. Among the various ICE’s waste heat flows, the one with the greatest potential is the exhaust stream due to its higher temperature (higher exergy), resulting in a theoretically higher efficiency gain [2]. One of the most promising technologies is the organic Rankine cycle (ORC). This technology has many similarities to a refrigeration vapor compression system, regarding the working fluid and the system’s main components, making the conversion of HVAC components an option (to be taken into account) in the design of wate heat recovery systems for ICEs. The present work analyses the possibility of implementing such a system, by adopting a more realistic approach to evaluate the vehicle’s performance in real operating conditions, coupled with a 1.6L spark-ignition ICE. This approach, named the "wheel-toexhaust", consists in the interconnection of three distinct models, two of them already existing; a drivingcycle’s model, which analyzes the vehicle’s energy flows in real road conditions, including the influence of altitude an lateral acceleration; an ICE’s model for the analysis of its performance; an ORC model which uses data crossing between the two previous models in the analysis of the exhaust stream parameters in real road conditions. Some innovative strategies were used in the data crossing, with prominence to the gear-shifting algorithm used in the vehicle simulations, in-accordance to the dynamic conditions of the road.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Fluídos), O Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade dos Ar Interior dos Edifícios (SCE), tem por base a legislação que resulta da transposição da Diretiva Europeia 2002/91/CE. Impõe assim, a determinação dos consumos de energia associados aos edifícios residenciais e de serviços. O Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) – Decreto-Lei nº 79/2006 de 4 de Abril, estabelece que as simulações dinâmicas detalhadas dos edifícios realizadas no âmbito do SCE sejam efetuadas com programas devidamente acreditados segundo a Norma ASHRAE 140-2004. O objeto de estudo deste trabalho consiste na climatização de um edifício destinado a serviços sociais – Centro de Dia e Creche, utilizando programas de simulação energética detalhada multizona. Inicialmente apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre a regulamentação e eficiência energética, sistemas de climatização e programas acreditados para a simulação energética de edifícios em Portugal. Segue-se uma breve caracterização dos sistemas de climatização, bem como, a apresentação dos métodos de cálculo de cargas térmicas utilizados no programa de simulação utilizado. Sob orientação do Professor Luís Barreiros Martins, utilizou-se neste estudo o programa de simulação multizona Cypeterm, atendendo à sua flexibilidade de modelação gráfica, facilidade de “importação de máscaras” e à grande utilização nos gabinetes de projeto de engenharia em Portugal e nos países de expressão portuguesa. Para a simulação térmica multizona, optou-se pela utilização do programa de cálculo Cypeterm - este por sua vez, usa o EnergyPlus como motor de cálculo devido à compatibilidade existente entre eles. A modelação do edifício foi parametrizada de acordo com as opções disponibilizadas pelos programas, com a maior aproximação possível. Este trabalho foi elaborado com base no Decreto-Lei 79/2006 de 04 de Abril, tendo este sido entretanto revogado pelo Decreto Lei 118/2013 de 20 de Agosto; em anexo apresenta-se uma introdução à atual legislação. No entanto, o estudo apresentado foi elaborado à luz da penúltima legislação, por ser esta que vigorava à data do seu início e parte do desenvolvimento., The National Energy Certification and Quality Indoor Air of Buildings (SCE), is based on legislation that results from the transposition of the European Directive 2002/91/EC. Therefore requires the determination of energy consumption associated with residential buildings and services. Therefore requires the determination of energy consumption associated with residential buildings and services. Regulation of Energy Systems for Climate in Buildings (RSECE) - Decree-Law No. 79/2006 of 4 April, states that the simulations detailed dynamics of buildings held under the ESA are made with programs duly accredited under the Standard ASHRAE 140 - 2004. The object of this work is the climate of a building for social services - Day Centre and Nursery, using detailed energy simulation programs multizone. Initially presents a literature review on the regulation and energy efficiency, HVAC systems and accredited programs for energy simulation of buildings in Portugal. Below is a brief description of HVAC systems, as well as the presentation of the methods of calculating thermal loads used in the simulation program used. Under the guidance of Professor Luis Barreiros Martins , was used in this study program Cypeterm multizone simulation , given its graphical modeling flexibility , ease of " importing masks " and the great use in engineering design offices in Portugal and in the countries Portuguese speaking . For multizone thermal simulation, we chose to use calculations of EnergyPlus program to complement, given its compatibility with Cypeterm program. The modeling of the building was parameterized according to the options provided by the programs with the greatest possible approximation. This work was based on Decree-Law 79/2006 of April 4, the latter has been subsequently repealed by Decree Law 118/2013 of 20 August; in Annex provides an introduction to the current legislation. However, the presented study was prepared in the light of the penultimate law, since it is in force at the time of its inception and part of development.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente), A necessidade cada vez maior que a sociedade atual tem de recorrer a fontes de energias renováveis, aliada á imersão de um mundo tecnológico em que a eficiência e a inovação são aspetos fulcrais, levam a que o ramo da energia eólica tenha de estar na vanguarda dos recursos disponíveis, sendo esta a principal motivação do desenvolvimento deste trabalho. Os aerogeradores de pequeno porte, apesar da produção de energia ser bastante reduzida em relação aos de grande porte, têm um campo de aplicação bem mais alargado, dada a facilidade de transporte (presença frequente em novos iates) e flexibilidade quanto à gama de velocidades de funcionamento, permitindo um bom desempenho a baixo número de Reynolds, fator este, alvo de análise/otimização no decorrer do projeto. Na aerodinâmica de uma pá destacam-se os seguintes fatores: coeficiente de sustentação (CL), coeficiente de arrasto (CD), coeficiente de momento (CM) e o coeficiente de solidez (CTEH). Associado à variação destes parâmetros, está a alteração do perfil geométrico, ângulos de ataque e Twist, direção e intensidade do vento. A preponderância dos programas de modelação e simulação numérica nas áreas da Engenharia é cada vez mais evidente. Na análise de escoamentos o software Ansys Fluent tem reunido consenso, quanto a resultados obtidos, tendo uma panóplia de ferramentas e funcionalidades que permite descrever qualquer tipo de escoamento. Por exemplo, no caso de escoamentos externos existe um modelo de turbulência, Spalart-Allmaras, que permite obter resultados de forma mais rápida e eficiente. A escolha do ângulo de ataque ótimo e a seleção da geometria adequada na geração de uma pá é fundamental para que a turbina eólica a projetar tenha um funcionamento mais eficiente, reduzindo as perdas de energia e garantindo um maior retorno financeiro a quem investe neste tipo de equipamentos. O desenvolvimento deste tipo de trabalhos garante o progresso de uma alternativa viável àquele que tem sido um dos maiores problemas globais, a produção de energia através de fontes não renoveis., The growing need on resorting renewable energy sources that actual society has, allied to immersion of a technological world where efficiency and innovation are crucial aspects, mean that the wind energy branch has to be in the forefront of available resources, which is the main motivation on the development of this work. The small wind turbines, although the power generation is significantly reduced compared to the large turbines, have a much broader field of application, due to the flexibility of transport (frequent presence in new yachts) and flexibility in the range of operation speeds, allowing a good performance and a low Reynolds number, factor which, is in target of analysis/optimization throughout the project. In the aerodynamics of a shovel, the following factors are highlighted: lift coefficient (LC), drag coefficient (DC), moment coefficient (MC) and the solidity coefficient (SC). Associated to the variation of this parameters is the geometric profile alteration, angles of attack and Twist, wind direction and intensity. The preponderance of modelling and numeric simulation software in the areas of Engineering is becoming more evident. In the analysis of flow Ansys Fluent software has reunited consensus, as the obtained results, and a range of tools and features for describing any type of flow down to the smallest detail. For example, if there is an external flow, there is a turbulence model, Spalart-Allmaras, which allows faster and more efficient results. The choice of the optimal attack angle and the selection of the correct geometry in the generation if a shovel is essential for the projecting wind turbine to be more efficient, reducing energy losses and ensuring greater financial returns to those who invest in this type of equipment’s. The development of this type of work results in the progress for a viable alternative to that which has been a major global problem, the production of energy by sources that are not renewed.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica (área de especialização em Energia e Ambiente), O Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios (SCE) de 2006 transpôs para Portugal a Diretiva Europeia 2002/91/CE que é relativa ao desempenho energético dos edifícios e com isto vem de certa forma exigir o cálculo dos consumos de energia quer por parte de edifícios residenciais quer edifícios de serviços. Neste contexto, o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) inflige que, para novos pequenos edifícios ou frações autónomas de serviços com sistemas de climatização com potência instalada superior a 25 kW, as simulações térmicas dinâmicas detalhadas dos edifícios realizadas no âmbito do SCE sejam executadas utilizando softwares acreditados pela norma ANSI/ ASHRAE 140-2004. O estudo começa com uma revisão bibliográfica sobre a regulamentação térmica de edifícios de acordo com o SCE de 2006 e análise das principais características de alguns programas de simulação existentes de modo a selecionar o programa de simulação dinâmica multizona a utilizar no caso de estudo, para subsequente comparação com o programa de simulação unizona STE do LNEG. Assim, elegeu-se o programa de simulação multizona Cypeterm, devido à sua facilidade de modelação e pelo facto de ser utilizado como motor de cálculo o EnergyPlus de modo a realizar a simulação dinâmica do edifício. Foram ainda avaliadas as principais diferenças e semelhanças entre os resultados alcançados pelos dois programas. Depois de obtermos os resultados verificou-se que para além da obrigatoriedade regulamentar, a simulação dinâmica multizona é mais útil e eficaz que a simulação unizona, principalmente no dimensionamento do equipamento de climatização do edifício e na análise térmica de cada espaço., The National Energy Certification System and Indoor Air Quality in Buildings (SCE) of 2006 transposed to Portugal the European Directive 2002/91/EC that is on the energy performance of buildings and it goes some way to require the calculation of consumption power either by residential buildings or by office buildings. In this context, Regulation of Climate Energy Systems in Buildings (RSECE) inflicts that for new buildings or building small fractions of services with HVAC systems with installed power of 25 kW, the dynamic thermal simulations detailed buildings undertaken under SCE are implemented using software accredited by ANSI/ASHRAE 140-2004. The study begins with a literature review on energy efficiency and HVAC systems according with SCE of 2006 and analysis of main technical features of some existing simulation tools in order to select the dynamic multizone simulation program using the case study, for comparison with the simulation program unizone STE by LNEG. Due to the literature review, was selected the Cypeterm multizone simulation program, due to this flexibility of modeling and technical use as calculation engine of the EnergyPlus to perform dynamic simulation of the building. Were evaluated the main differences and similarities between the results obtained by the two programs. After obtain the results was verified that in addition to the regulatory requirement, the dynamic simulation multizone is more useful and effective than simulation unizona mainly in the design of the building HVAC equipment and thermal analysis of each space.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Uma das aplicações da refrigeração é a refrigeração comercial, contribuindo para o nosso conforto e bem estar mediante a conservação dos produtos alimentares. Esse conforto traduz-se na massificação e proliferação de aparelhos de refrigeração comercial, que têm um peso em termos de consumo elétrico muito grande. A pressão para baixar consumos em conjunto com uma maior preocupação ambiental é uma realidade que veio para ficar, forçando esta indústria ao desenvolvimento de novos equipamentos e a um trabalho intenso sobre a eficiência energética dos aparelhos. Uma das vias para a melhoria da eficiência energética e cuidado com o ambiente é o estudo de frigorigéneos alternativos que combinam boas propriedades termodinâmicas com baixos índices de efeito estufa e depleção de ozono. Assim surge este estudo, em colaboração com a empresa HYDRACOOLING, para desenvolvimento de um equipamento de refrigeração comercial com o fluido R 290 que é propano de elevado nível de pureza, comparando experimentalmente o comportamento de um mural com R 290 e R 404A. Este estudo contempla primeiramente uma breve história da refrigeração e revisão bibliográfica sobre os ciclos frigoríficos, os tipos de equipamentos de refrigeração comercial e os seus componentes fundamentais. Na parte seguinte temos o caso de estudo. Para este caso de estudo foram avaliadas o peso das componentes da carga térmica de um mural aberto, estudados os fluidos R 404A e R 290, selecionaram-se e dimensionaram-se os equipamentos a equipar o aparelho, nomeadamente um novo evaporador. Por fim foram testados fornecendo resultados de temperaturas em simuladores de produto e consumos elétricos. Foram executados dois tipos de teste, o primeiro em vazio no túnel e o segundo de acordo com a norma ISO 23953-2, que define dois períodos diferentes de 24h cada. Os resultados dos testes no túnel em vazio e com os dois fluidos, revelaram funcionamento instável necessitando do uso da cortina noturna no arranque. Os testes ISO 23953-2 indicam que o R 290 apresenta um consumo de 26,3 kWh/24h no primeiro período e 23,6 kWh/24h no segundo período, 10% e 15% respetivamente menor comparando com o R 404A. Para os dois fluidos, durante os testes as temperaturas médias foram de 5,0°C., Refrigeration is vital for our day to day life. One of its many applications is on commercial refrigeration equipment’s being a big contribution for our welfare and comfort, through food conservation. That comfort results on the massification and dissemination of commercial refrigeration cabinets that are a very big part in electrical consumption. This industry is now being pressured to develop new equipment’s which are more efficient and non-polluting. One of the ways to achieve that is to use alternative refrigerants which combine good thermodynamic properties with very low GWP and ODP. Therefore this study to develop a commercial refrigeration cabinet with alternative refrigerant R 290 (propane) in cooperation with HYDRACOOLING testing the behavior of a machine with R 404A and R 290, becomes necessary and relevant. The study first has a very brief description about refrigeration, and the state of the art of refrigeration cycles, types of equipment’s and their vital components. Next, the case study with the vertical cabinet HYDRACOOLING W080SS130 equipped with R 404A and R 290 is presented. In the case study the thermic charge and it’s components are evaluated, a comparison between R 404A and R 290 is showed and selected the components to equip de cabinet to experimental tests with both refrigerants presenting results of temperatures in product simulators and electrical consumption. Two types of tests were executed, the first with the machine empty in the tunnel, and the second according with ISO 23953-2 standard which defines two different periods of 24h each. The results with both fluids in the tunnel showed unstable working, needing the night curtain to help at the beginning. During the ISO 23953-2 tests the cabinet with R 290 achieved 26,3 kWh/24h consumption on the first test period, and 23,6 kWh/24h on the second test period, consuming 10% and 15% less respectively when comparing with R 404A. Average temperature of the M-package during the ISO 23953-2 tests was 5,0°C.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, O aumento do consumo de energia a nível mundial tem levado a uma diminuição das reservas de energias fósseis, nomeadamente do petróleo, uma das principais fontes. Surgiu assim a necessidade de diversificação no consumo de energia, o que tem levado ao desenvolvimento de novas tecnologias mais limpas para a geração e conversão de energia, como os sistemas de cogeração, as energias eólica, solar, ondas, a biomassa, bem como de outras já existentes como a energia hídrica e a energia nuclear. O trabalho presente é dedicado à análise de sistemas de micro-cogeração baseados na tecnologia dos motores Stirling. O estudo inicia-se com uma revisão geral do estado da arte dos sistemas de cogeração, tendo em conta a legislação existente, os ciclos termodinâmicos utilizados e as suas respetivas tecnologias. Segue-se uma análise específica sobre micro-sistemas de cogeração e das tecnologias emergentes mais promissoras. É apresentada uma descrição da tecnologia com motor Stirling explicando-se o seu funcionamento, possíveis configurações, principais componentes, fluidos de trabalho, perdas de energia e efeitos que alguns parâmetros têm na sua performance. É descrito o modelo matemático utilizado na simulação de sistemas Stirling, dividido em modelo físico e económico. No modelo físico apresenta-se a modelação matemática do ciclo Stirling, que recorre a métodos numéricos para calcular potências, rendimentos, eficácias, em função de parâmetros geométricos e operacionais. No modelo económico é descrito o desenvolvimento das equações de custo para os principais componentes do sistema, i.e. para os permutadores de aquecimento, arrefecimento, regenerador e para o bloco do motor. O estudo prossegue com uma análise de sensibilidade aos principais parâmetros do modelo físico, que incluem variáveis também presentes nas equações de custo do motor Stirling. O desenvolvimento das equações de custo permitiu estimar o custo total de vários sistemas Stirling e a sua comparação com os valores reais de sistemas já existentes no mercado. Estas análises permitiram perceber de que forma varia a potência e o rendimento de um motor Stirling com os parâmetros mais importantes, bem como a implicação que estas variações têm no custo de investimento deste tipo de pequenos sistemas de cogeração. Estes resultados são de grande utilidade para a futura definição de uma metodologia para a otimização tecnoeconómica deste tipo de sistemas., The global increase in energy consumption has led to a decrease in the reserves of fossil fuels and to the need for diversification in energy consumption. This led to the development of new technologies for cleaner energy conversion, such as cogeneration systems, wind, solar, biomass and wave energies, and existing ones such as hydroelectric and nuclear energies. The present work is dedicated to micro-cogeneration systems based on Stirling engine technology. The study starts with a state of the art review on general cogenerations systems, taking into account the existing legislation, the thermodynamic cycles and their corresponding technologies. A more specific review on the most promising emerging technologies for microsized cogeneration units was also made. The study follows with a description of the Stirling engine technology, including basic principles, engine configurations, main components, working fluids, energy losses, and the effect of some parameters on engine performance. The mathematical model used in the simulation of Stirling systems is described. The model is divided into physical and economic models. The physical model includes the Stirling thermodynamic cycle, and uses numerical methods for calculating power, engine efficiency and heat-exchangers effectiveness, as functions of some geometric and operational parameters. The economic model involved the development of cost-equations for the system main components, namely for the heater, cooler, regenerator and engine block. Finally a sensitivity analysis was made on the main parameters affecting the physical model, including variables also present in the Stirling engine cost-equations. The development of the cost-equations allowed us to estimate the total investment costs of various Stirling systems and to compare them with the actual values of systems available in the market. These analyses allowed the understanding of how of a Stirling engine efficiency and power varies with the most important parameters, as well as the implication of these variations on the investment costs of this kind of small cogeneration systems. These results are useful for the future development of a methodology for the techno-economic optimisation of such systems.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Nesta dissertação foi feita uma análise energética à área de distribuição e arrefecimento de águas, de uma fábrica de papel, com o objectivo de seguir as orientações propostas pelo SGCIE (Sistema de Gestão dos Consumos Intensivos de Energia). Este sistema de gestão é regulado segundo o decreto-lei 71/2008 de 15 de Abril e pressupõe um balanço energético da instalação, que neste caso trata-se de uma área sectorial que só representa cerca de 5 % do consumo total de energia da fábrica. Após o balanço é feita uma auditoria à instalação com o objectivo de propor alterações que aumentem a eficiência energética, reduzindo consumos e rácios de emissão de CO2 sem prejudicar o processo produtivo. Foram feitos estudos da rentabilidade da alteração de motores eléctricos por outros com maior rendimento, do aproveitamento térmico das águas de retorno da unidade fabril, das medidas para redução do consumo do ar comprimido e aumento da eficiência na sua produção e da aplicação prática de variadores de frequência em diversas bombas centrífugas para transporte de água. Em conclusão, o aproveitamento térmico das águas de retorno, mediante a aplicação de um permutador de calor e algumas alterações na distribuição da água, provou ser capaz de poupanças em energia térmica na ordem dos 14%, relativamente à área de distribuição e arrefecimento de águas. Concluiu-se também, que a aplicação de variadores de frequência em bombas centrífugas é igualmente bastante rentável, permitindo poupanças de energia eléctrica superiores a 7% da área total auditada., The main objective of this thesis is the energy analysis of the distribution and water cooling system in a paper mill in order to comply with the guidelines proposed by SGCIE (Management System for Intensive Energy Consumers). This management system is regulated according to the Decree-Law 71/2008 of 15 April and requires an energy balance of the installation, which in this case, includes a sectorial area that only represents about 5% of the total energy consumption in all the plant. The energy balance was followed by a detailed audit of the installation with the aim to recommend changes that will increase energy efficiency, reducing fuel consumption and CO2 emissions, without negatively affecting the production process. Studies were made showing the relevance of changing electric motors by others with higher efficiency, of the thermal recovery of returned water, of the actions to reduce compressed air consumption and increase efficiency and the practical application of variable frequency motors to several centrifugal pumps. In conclusion, the thermal recovery of returned water, through the application of a heat exchanger and some modifications in the water distribution, proved to be able to reach savings of around 14% in thermal energy, relative to the area of the distribution and water cooling. It is also concluded, that the application of variable frequency drives on centrifugal pumps is also fairly cost effective, with electrical power savings of more than 7% of the analyzed installation.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia e Gestão Industrial, As empresas consumidoras intensivas de energia, encontraram nas potencialidades da Cogeração a complementaridade ideal para a sustentabilidade financeira, através da racionalização dos consumos energéticos e, da venda de energia elétrica para o exterior. O Decreto-Lei 71/2008 de 15 de abril que define o SGCIE não faz erradamente a descriminação das empresas que possuem cogerações não tituladas como autónomas. Como consequência existe uma clara desvirtuação dos indicadores de avaliação do SGCIE. Com o intuito de demonstrar esta situação, este estudo realiza a análise dos consumos energéticos em 2011 na empresa Moda 21 segundo duas Perspetivas: a Perspetiva Balanço (inclui a cogeração no interior do Balanço) e a Perspetiva Moda 21 (exclui a cogeração no interior do Balanço). A Perspetiva Balanço que é a oficial, permite a redução de cerca de 1.158 tep de consumo de energia e de cerca de 1.600 tCO2e de gases de efeito de estufa emitidos para a atmosfera. A existência da unidade de Cogeração permitiu à empresa em 2011 ter um benefício anual de 1.321.758 euros em termos de despesas energéticas. A faturação de 2.266.801 euros da venda de energia elétrica à rede, influência grandemente este resultado. Paralelamente ao objetivo principal deste estudo, pensou-se pertinente analisar a tarifa de remuneração das Cogerações aplicável à Moda 21, definida na Portaria nº 58/2002 de 15 de janeiro. Apesar de ter sido recentemente publicada a Portaria nº140/2012 de 14 de maio, já alterada pela Portaria n.º 325-A/2012 de 16 de outubro, que define um novo regime remuneratório para as Cogerações, o tarifário de remuneração aplicável à Moda 21 mantêm-se até 2020 definido pela mesma Portaria. Aliás, das 166 unidades de Cogeração existentes em Portugal, apenas 32 transitam em 2012 para o novo regime remuneratório., Companies that are intensive consumers of energy have found the ideal complement for financial sutainability in the potential for Cogeneration through the rationalisation of energy consumption and the sale of electricity to third parties. The Decree Law 71/2008 of 15 April that defines SGCIE mistakenly does not include companies that have unlisted cogeneration units as autonomous. As a consequence, there is a clear distortion of the evaluation indicators of the SGCIE. In order to highlight this situation, this study analyses the consumption of energy in the company “Moda 21” in 2011 from two perspectives: the Balance Sheet perspective (including cogeneration in the balance sheet) and the Moda 21 perspective (excluding cogeneration from the balance sheet). The Balance Sheet perspective, which is the official one, enables a reduction of approximately 1,158 tep in energy consumption and of approximately 1,600 tCO2e of greenhouse gases emitted into the atmosphere. In 2011 the existence of a cogeneration unit enabled the company to benefit annually by 1,321,758 euros in terms of energy expenditure. The sale of 2,266,801 euros of electricity to the national grid greatly influenced this result. In addition to the main aim of this study, it was also considered relevant to analyse the remuneration rate for cogeneration which is applicable to Moda 21 through Ordinance number 58 of January 15, 2002. Despite the recently published Ordinance number 140 of 14 May 2012, which has already been replaced by ordinance number 325-A/16 October, 2012, and defines a new remuneration scheme for cogeneration, the remuneration rate which is applicable to Moda 21 will remain in place until 2020. In fact, of 166 cogeneration units in Portugal, only 32 will change over to the new remuneration scheme in 2012.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A plataforma legislativa Nacional relativa ao desempenho energético dos edifícios, designada por Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios (SCE), tem por base a Diretiva 2002/91/CE (atualizada em 2010) e inclui o Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização em Edifícios (RSECE). Este regulamento obriga à simulação térmica dinâmica e detalhada de grandes edifícios novos utilizando softwares acreditados pela norma ANSI/ASHRAE 140-2004. Para os grandes edifícios existentes é obrigatória a realização de uma auditoria energética no prazo máximo de seis anos a qual, na maioria dos casos, também envolverá a referida simulação térmica. Prevê-se assim um grande crescimento na utilização de softwares comerciais pelo que haverá interesse em desenvolver uma ferramenta simplificada que permita a sua análise e validação, dado que aqueles utilizam modelos cuja precisão por vezes se desconhece. No trabalho presente foi desenvolvido um modelo, através do método dos volumes finitos, para a simulação térmica transiente de uma parede exterior dum edifício, o qual servirá de base para a criação de um programa de cálculo dinâmico das cargas térmicas num edifício simplificado, cujos resultados permitirão uma fácil comparação com os softwares comerciais. O modelo foi desenvolvido de raíz em ambiente MatLab e permite a definição de uma parede multi-camada, para além de incluir condições de fronteira avançadas, quer para a superfície interior, quer para a superfície exterior. Neste caso, é possível introduzir perfis horários para a temperatura exterior do ar e radiação solar incidente, sendo ainda consideradas as trocas de calor por radiação em separado com o chão e com o céu. Os resultados preliminares vieram demonstrar a importância da localização do isolamento na inércia térmica da parede, bem como a relevância da radiação solar incidente. Em algumas situações surgiram problemas de convergência numérica com origem nas condições-fronteira radiativas., The Portuguese legislation for the Energy Performance and Certification of Buildings is based on the European directive 2002/91/EC (with a recast in 2010), and includes the Regulation for the Energy and Air-conditioning Systems of buildings (RSECE). The latter requires all new large buildings to validate a dynamic and detailed thermal simulation using software solutions qualified by the standard ANSI/ASHRAE 140-2004. Also, all existing large buildings must undergo an energy audit within six years and, in most cases, this will also result in the need for a detailed thermal simulation. Therefore, a large increase in the use of commercial software packages is expected in the near future, so that there is the need for a simplified tool that will allow, by comparison, a better understanding in the analysis and validation of these products. In this work, by using the finite volume methodology, a model was developed for the transient thermal simulation of a building wall. The work will be the basis for a software code that will enable the dynamic thermal-load evaluation of a simplified building. The results will allow an easy comparison with the commercial software packages. The model was developed in the MATLAB® environment, allows the introduction of a multilayer wall and includes advanced boundary-layer conditions, both for the interior and exterior wall surfaces. In the latter it is possible to use hourly profiles as inputs for the external air temperature and solar radiation. The heat-transfer by long wave radiation is separately treated from wall to floor and wall to sky. The preliminary results demonstrate the importance of the insulation location in the inertial behavior of the wall, as well as the incident solar radiation in the resulting heat-fluxes. Some numerical convergence problems arose, due to particular irradiative boundary-layer conditions that will require a detailed analysis.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A entrada em vigor da legislação que rege o Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade dos Ar Interior dos Edifícios (SCE), transpôs a Directiva Europeia 2002/91/CE, veio exigir o cálculo dos consumos de energia por parte dos edifícios residenciais e de serviços. O Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) exige que as simulações dinâmicas detalhadas dos edifícios realizadas no âmbito do SCE sejam efectuadas com programas devidamente acreditados segundo a Norma ASHRAE 140-2004. O estudo inicia-se com uma revisão bibliográfica que inclui uma abordagem sobre a regulamentação térmica de edifícios em Portugal, uma breve caracterização dos sistemas de climatização, apresentação dos métodos de cálculo de cargas térmicas utilizados nos programas de simulação e análise das principais características de algumas ferramentas de simulação existentes de modo a seleccionar o programa de simulação dinâmica multizona a utilizar no caso de estudo, para comparação com o programa de simulação monozona STE do LNEG. Derivado da revisão bibliográfica efectuada optou-se pela utilização do programa de simulação multizona Cypeterm, devido à sua flexibilidade de modelação, utilização nos gabinetes de Engenharia em Portugal, modelação da base de dados climática, acompanhamento técnico e utilização como motor de cálculo do EnergyPlus de modo a realizar a simulação térmica e energética do edifício. O modelo para o edifício foi parametrizado de acordo com as opções disponibilizadas pelos programas, de forma o mais semelhante possível. Foram avaliadas as principais diferenças e semelhanças entre os resultados obtidos pelos programas. Após os resultados obtidos verificou-se que a simulação dinâmica multizona é mais eficaz que a simulação unizona, no que diz respeito à determinação das necessidades e consumos energéticos específicos, bem como para o dimensionamento de sistemas de climatização do edifício. Após a primeira análise de resultados é possível introduzir melhorias no projecto, de modo a que as perdas do edifício diminuam e que os consumos sejam também mais reduzidos. A simulação dinâmica é fundamental no caso dos edifícios existentes, pois permite avaliar as poupanças energéticas e económicas associadas às diversas possibilidades de melhoria e, deste modo, avaliar a oportunidade da sua implementação., The validation of the legislation governing the National Energy Certification and Indoor Air Quality in Buildings (SCE), transposed the European Directive 2002/91/EC and came to require the calculation of energy consumption by the residential buildings and services. The Regulation of the Energy Systems in Buildings HVAC (RSECE) requires that detailed dynamic simulations of buildings under SCE must been done with programs accredited according to ASHRAE Standard 140-2004. The study begins with a literature review that includes a discussion of the thermal regulation of buildings in Portugal, a brief characterization of HVAC systems, presentation of the methods of calculating thermal loads used in simulation programs and analysis of the main characteristics of some existing simulation tools in order to select the dynamic multizone simulation program to be used in the case study, for comparison with the monozone simulation program STE LNEG. Derived from the literature review carried out it was decided to use the multizone simulation program Cypeterm, due to its flexibility of modeling, using in the offices of Engineering in Portugal, climate database modeling, technical monitoring and using as calculation engine of the EnergyPlus in order to perform the thermal and energy simulation of the building. The model for the building was parameterized according to the options provided by the programs, as similar as possible. It was evaluated the main differences and similarities between the results obtained by the programs. After the results obtained it was found that the dynamic simulation multizone is more effective than the unizone simulation, with regard to determination of the specific requirements and energy consumption as well as for the design of cooling systems of the building. After the first analysis results it’s possible to introduce improvements in the design, so that the losses of the building reduce, making the consumption also reduced. Dynamic simulation is essential in the case of existing buildings, as it allows evaluating the economic and energy savings associated to the several possibilities of improvement and by this way to evaluate the appropriateness of its implementation.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A motivação para o trabalho presente surgiu na continuação do projecto “Sense4me - Sistema de monitorização e controlo de desconforto em deficientes físicos motores, acamados e pacientes cirúrgicos”, financiado pela FCT, que englobou uma equipa multidisciplinar coordenada pelo Departamento de Engenharia Têxtil e no qual o Departamento de Engenharia Mecânica teve uma participação qualificada, no projecto, fabrico e montagem de um protótipo laboratorial de uma almofada activa, utilizando jactos de água de alta velocidade. Como este protótipo se mostrou demasiado complexo e dispendioso para implementação numa solução comercial, foi decidido iniciar o desenvolvimento de um segundo protótipo baseado numa matriz de células de ar comprimido Na primeira parte do trabalho foi feita uma revisão bibliográfica sobre a temática de úlceras de pressão, suas causas e sua monitorização, sobre tecnologias e equipamentos actualmente utilizados no fabrico de colchões activos para fins especiais, complementada com o estudo teórico da análise de equipamentos utilizando células pneumáticas. O passo seguinte foi realizar o projecto conceptual para uma almofada pneumática dinâmica, a qual deverá utilizar uma manta de sensores para determinar pressões de risco na superfície de contacto com o corpo humano e reduzir localmente os valores críticos, através da modulação da pressão interna do ar nas células pneumáticas. Como o controlo da pressão que é feito através de válvulas direccionais, o objectivo final será obter um colchão dinâmico inovador que possa interagir com o seu utilizador, diminuindo deste modo o risco de desenvolver úlceras de pressão. Para caracterizar experimentalmente o funcionamento da almofada pneumática, foi implementada uma bancada de teste com duas células pneumáticas e o respectivo hardware e software que implicou, por exemplo, a utilização de válvulas direccionais especiais com dois níveis de pressão para pilotagem e alimentação. Os resultados destes testes, nomeadamente no que diz respeito à dinâmica de enchimento, esvaziamento e controlo individual da pressão em cada célula, vieram demonstrar a viabilidade deste tipo de sistemas para a operacionalidade de uma almofada dinâmica inteligente. O trabalho termina com a avaliação dos componentes necessários à construção de um colchão individual completo., This work follows from the project "Sense4me - monitoring and control system of discomfort, for bed resting people and surgical patients", financed by Fundação para a Ciência e Tecnologia, that involved a multidisciplinary team coordinated by the Textile Engineering Department and where the Mechanical Engineering Department participated in the design and construction of a laboratory prototype, using the principle of dynamic water-jets to implement an active seat cushion. As this prototype proved to be very complex and expensive for commercial production, a decision was made to design a second prototype based on a dynamic matrix of air-cells. The first part of the study is a literature review on the subject of pressure ulcers, their causes and monitoring, on technologies and equipment currently used in the construction of active mattresses, complemented with the analysis of equipment using pneumatic cells. The next step was the conceptual design of a laboratory setup for a dynamic-air seat cushion that will use a pressure-sensing coverlet to evaluate the threatening pressure-sore points, in the body/cushion contact surface, and actively reduce the contact-pressure at these points via air pressure control of the individual cells. A test bench was implemented for the experimental characterization of the seat-cushion, with two air-cells and the respective hardware and software. The results show that the dynamics of the pressure control system, for the individual cells make it a viable option for the construction of a full-scale dynamic and innovative bed mattress that can interact with its user, thus decreasing the risk of pressure ulcer formation. The dissertation ends with the analysis of the architecture and the needed components for the implementation of a full-mattress system.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A crescente preocupação com o ambiente e com a dependência energética dos países da UE levou a que fosse alterada a forma de pensar e que se criassem metas para as energias renováveis, diminuindo os impactos ambientais e a dependência energética externa. Estas metas foram já definidas para o ano de 2020, sendo muito ambiciosas para todos os estados membros, e em particular para Portugal. Portugal aposta já há largos anos nas energias renováveis, como é o exemplo o extraordinário crescimento da energia eólica. Mais recentemente, a retoma do Plano Nacional de Barragens veio também reforçar o objectivo de crescimento do peso das renováveis. Com a publicação de legislação de apoio à micro e miniprodução de electricidade de origem renovável baseada em tarifas mais elevadas, abriu-se um nicho de investimento para particulares e empresas. Estas tarifas tornaram apelativo o investimento de risco em tecnologias inovadoras e de pequena dimensão. Com a abertura deste campo de investimento, nasce o interesse presente nesta dissertação que é a possibilidade de aplicação da microprodução em locais de antigos moinhos. Devido a esse facto, este trabalho inicia-se com a revisão bibliográfica dos vários tipos de moinhos em Portugal. Foi possível através çardeste levantamento, ter uma noção mais clara das possibilidades de utilização de rotores tradicionais e de turbinas para produção de electricidade nestes locais. As turbinas hidráulicas foram também estudadas e analisadas de modo a verificar a possibilidade de exploração e características de funcionamento de cada uma delas. Este estudo permitiu verificar a possibilidade de aplicação da turbina Banki em locais de antigos moinhos, embora as características correspondem habitualmente ao limite mínimo recomendado para este tipo de máquinas. O sistema eléctrico nacional e a recente legislação são um dos pontos chaves, pois o conhecimento dos requisitos legais para aceder à micro e miniprodução permite um estudo mais coerente e uma análise mais cuidada para aplicação concreta. Para que o projecto da turbina Banki fosse coerente e fiável, foram elaboradas equações que possibilitassem o dimensionamento dos dois principais componentes – o rotor e o injector. Para optimização deste processo aos diversos locais que possam vir a surgir, desenvolveu-se em paralelo um programa em Excel que aplica as fórmulas desenvolvidas para um dimensionamento automático, perante a introdução dos parâmetros de caudal e queda. Além dos parâmetros dimensionais do rotor e injector, este programa ainda determina os triângulos de velocidades para os quatro pontos mais importantes: as entradas e saídas em cada um dos dois estágios da turbina. Finalmente é também simulada a produção anual de electricidade, tendo em consideração a variação de caudal ao longo do ano. Através da elaboração de curvas de duração de caudal para o local em que se pretenda aplicar uma turbina Banki, é possível estimar produção anual, podendo então servir como base na análise de investimentos., The increasing concerns with the environment and with the European Union excessive dependence on foreign energy led to a change in the way we think about renewable energies and to the creation of goals. These goals, set for the year 2020, are very ambitious for all the member states, to Portugal in particular. Portugal has been investing in renewable energies and the results are clearly visible with an extraordinary growth in wind energy Inc. More recently, the recovery of the National Dams Construct Plan came also reinforce this big bet on renewables. Also, a legal framework has been implanted for the promotion of micro and mini production of renewable electricity, based on guarantied feed-in tariffs, that opened up new investment opportunities in innovative technologies for smaller systems. These opportunities led to the main objective of this dissertation, which is to evaluate the applications of micro-hydro systems to ancient water-mills locations. The work begins with a review of the typical features of Portuguese water mills in Portugal. It was possible through this research, have a clearer notion of the possibilities of application of traditional rotors or other turbine types to the production of electricity in these localities. Several types of hydraulic turbines were also studied and analysed in order to confront there operating characteristics to the possible application in ancient water-mills locations. These studies justified the application of Banki turbine, although the typical features of water-mills locations correspond to the minimal recommended limits. For this type of turbines, were elaborated a set of equations that enable the scaling of the two principal components - the rotor and the injector. To optimize this scaling process to the diverse locations that may arise, a program was developed in Excel that applies the developed formulas to the automatic scaling, after the introduction of the input flow and head parameters. Beyond of the dimensional parameters of the rotor and the injector, the program also calculates the absolute, relative and transport velocities for the four rotor points, the entrance and exit of each one of the two stages of the turbine. Finally, the annual energy production is simulated by taking into account the water-flow along the year. Through the construction of the annual flow duration curve for the location in which the Banki turbine it will be implemented is possible to estimated the expected energy production, a basic input for the subsequent investment analysis.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A recente plataforma legislativa, designada globalmente por Sistema de Certificação Energética de Edifícios (SCE), transpôs para Portugal a Diretiva Europeia 2002/91/CE relativa ao desempenho energético dos edifícios. Neste âmbito, o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) impõe, para os edifícios com área útil superior a 1000 m2, a sua simulação térmica dinâmica e multizona utilizando softwares acreditados pela norma ANSI/ASHRAE 140-2004. Com este trabalho, pretendeu-se adquirir conhecimentos avançados na utilização de programas de simulação energética detalhada de grandes edifícios, recorrendo a um edifício escolar como caso de estudo. O estudo inicia-se com uma revisão bibliográfica sobre regulamentos energéticos, eficiência energética, sistemas de climatização e programas acreditados para a simulação energética de edifícios, promovendo o conhecimento necessário para a escolha dos programas de simulação dinâmica multizona a utilizar no caso de estudo, para comparação com o software de simulação monozona STE do LNEG. Em função da revisão efetuada, e após uma pesquisa prática dos programas existentes no mercado, optou-se pela utilização de dois programas de simulação multizona: o Trace 700 e o DesignBuilder/EnergyPlus. As suas escolhas prenderam-se sobretudo com a flexibilidade de modelação e a capacidade de exportação de resultados do EnergyPlus, quando aliada à interface gráfica do DesignBuilder, e pela componente comercial e método de análise prático do Trace 700. Os modelos para o edifício foram parametrizados de acordo com as opções disponibilizadas pelos três programas, e da forma mais equivalente possível. Foram avaliadas as principais diferenças e semelhanças entre os três programas, tendo sido identificadas uma série de constrangimentos à criação de modelos complexos equivalentes entre si. Após a comparação dos resultados obtidos das simulações térmicas, foi possível concluir que, para além da obrigatoriedade regulamentar, a simulação dinâmica multizona é mais útil e eficaz que a simulação unizona, nomeadamente no dimensionamento do equipamento de climatização do edifício, e na análise térmica de cada espaço. No entanto, no cálculo do índice de Eficiência Energética (IEE) para a certificação energética, os três programas apresentaram resultados semelhantes. Os dois programas de simulação multizona têm um caracter diferente, sendo o Trace 700 mais prático, e o DesignBuilder mais detalhado, podendo cada um ser escolhido em função do utilizador. O DesignBuilder foi eleito como o melhor, pelas suas qualidades de cálculo provenientes do EnergyPlus e pela sua interface gráfica de muito boa qualidade, o que torna mais útil o detalhe na introdução e alteração de dados, assim como a análise pontual de cada elemento introduzido, permitindo uma mais fácil otimização da solução final., The recent Portuguese legislative platform, generally designated by System for the Energy Certification of Buildings (SCE), transposed to Portugal the European Directive 2002/91/EC on the Energy Performance of buildings (EPBD). In this context, the Portuguese Regulation for HVAC Energy Systems (RSECE) imposes, for buildings with a floor area exceeding 1000 m2, a dynamic and multizone thermal simulation, using licensed software according to the standard ANSI / ASHRAE 140-2004. The main goal of this work is to acquire advanced knowledge in the use of detailed energy simulation programs for large buildings. A real school was used as a case study. The study begins with a literature review on Portuguese energy regulations, energy efficiency, HVAC systems and licensed software for the energy simulation of buildings, promoting the needed know-how to choose the adequate multi-zone dynamic simulation programs to use in the case study, and to compare them with the single-zone software STE, developed by LNEG. As a result of the reviews and by taking into account the programs available for the Portuguese market, two dynamic multi-zone programs were chosen for the simulation of the building: the Trace 700 and the DesignBuilder/EnergyPlus. These choices were mainly taken due to the flexibility and ability to export results of the EnergyPlus, when coupled to the Design-Builder graphical interface, and to the direct link to commercial HVAC components and sensible analysis method of the Trace 700. The models for the school-building were parameterized according to the options provided by the three programs, and simulated as equally as possible. The similarities and differences between the three programs were evaluated with the identification of a number of restrictions to the creation of complex equivalent models. After comparing the simulation results, it was concluded that, beyond the regulatory requirement, detailed multi-zone simulations are more useful and effective than the single-zone simulation provided by the program STE, particularly in the design of the heating or cooling system of the building, and in the thermal analysis of each space. Even so, all three programs gave similar results when calculating the Energy Efficiency Index (IEE) for the building energy certificate. The two multi-zone simulation programs have a different character, the Trace 700 being more practical and the DesignBuilder /EnergyPlus more detailed. The decision on which one to use can be made according to the user preferences. The DesignBuilder/EnergyPlus, however, was selected as the best software, for its calculation qualities, derived from the EnergyPlus algorithm, and its excellent graphical interface that makes it more useful in the detailed introduction and modification of data, as well as in the specific analysis of each introduced element. Overall, it will be easier to obtain an optimized final solution.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A necessidade premente de resposta à escassez de combustíveis fósseis, à poluição provocada pelos mesmos e até mesmo por razões económicas, tornou indispensável o recurso a novas formas de geração de energia. Surge assim a cogeração (produção combinada de calor e electricidade), apresentando-se como a forma mais eficiente de produção de energia devido aos seus elevados rendimentos globais. Apesar de existirem alternativas como as energias renováveis (solar térmica e fotovoltaica, eólica, hídrica e das marés), estas revelam-se pouco eficientes e com custos de investimento demasiado elevados. O desenvolvimento e aplicação de sistemas de cogeração e de energias renováveis foram fomentadas, tendo sido tomadas medidas políticas e criados incentivos fiscais e monetários em Portugal, com vista à redução de emissões de gases poluentes para a atmosfera e à maior eficiência energética. A cogeração é capaz de responder positivamente, às preocupações principais a ter aquando da instalação de um sistema de energia, como por exemplo: o tipo de combustível usado, a sua rentabilidade e aplicabilidade. Neste trabalho, é feita a descrição, análise e optimização de uma instalação de cogeração que funciona sob o ciclo termodinâmico de Joule – Brayton regenerativo com turbina a gás, que inclui um regenerador (permutador interno), muito usado em sistemas deste tipo. A formulação do problema é feita com um modelo de optimização não linear, tendo como função objectivo a maximização dos lucros e sujeita a restrições impostas pelas relações termodinâmicas. O método de optimização usado designa-se por método de Box e foi implementado em ambiente MatLab. As análises realizadas neste trabalho centram-se no estudo da flutuação do valor das variáveis físicas do modelo, no desenvolvimento de novas equações de custo dos seus componentes e na integração das necessidades térmicas de um edifício de acordo com a legislação Portuguesa. O objectivo foi adaptar um modelo de optimização numérica existente, de forma a estudar, ajustar e validar, sob o ponto de vista termo-económico, os resultados obtidos. Os vários testes realizados no modelo, permitiram a obtenção de resultados mais “realistas”, em termos termodinâmicos, de acordo com o que é practicado na actualidade, como por exemplo: razões de compressão e temperaturas à saída da turbina mais baixas. Apesar das alterações efectuadas, registou-se um ajustamento aceitável dos custos dos componentes e da sua distribuição nos custos de investimento., A urgent need of a response to the scarcity of fossil fuels, the pollution caused by them and even for economical reasons, it was imperative the resort to new forms of energy production. Thus arrises cogeneration (combined heat and power production – CHP), presenting itself as the most eficient way of energy generation, due to its high global efficiency. Although there are alternatives such as the renewable energies (solar thermal and photovoltaic, eolic, hydric and ocean wave energy) they seem to be less efficient and present higher investment costs. The development and the application of CHP systems as well as renewable energies were supported by some political measures, tax breaks and financial incentives in Portugal, in order to reduce the pollutant gases emission and to increase the energy efficiency. CHP is able to respond effectively to the main aspects to consider in the installation of energy generation systems, such as: the type of fuel, the applicability and its profitability. In this thesis it is made the description, analysis and the optimization of a CHP system working under the regenerative Joule-Brayton thermodynamic cycle for gas turbines, which includes a internal pre-heater (IPH), commonly used in this kind of systems. The problem was formulated as a nonlinear optimization problem considering as the Objective Function the maximization of the annual worth subjected to the thermodynamic relationships. The numerical solution was obtained using the optimization method called Box method, implemented in MatLab environment. The analyses performed are focused on different aspects: the fluctuation of the value correspondent to the physical variables of the model; the development of new cost equations of the model components; and in the integration of the thermal demand of a building according to the Portuguese legislation. The objective was to adapt an existing model in order to study, adjust and validate the obtained results, through a thermo-economic perspective. According to the several tests it was verified that the improvements to the model allowed to obtain more “realistic” results, in terms of thermodynamic behavior, such as the lower values of the compression ratio and the exit turbine temperature. Despite of the changes introduced to the model, it was registered an acceptable adjustment of the components costs and their distribution in the total investment costs.