Modernised Portuguese Schools - From IAQ and Thermal Comfort towards Energy Efficiency Plans

Abstract

A major rehabilitation and refurbishment programme of secondary school buildings has been carried out in the last few years in Portugal, led by the state-owned company Parque Escolar E.P.E. (PE), known as Secondary School Buildings Modernisation Programme. This programme took into consideration renewable energy systems, mostly solar panels for domestic hot water (DHW) production. Nevertheless, with the introduction of HVAC systems in buildings that were previously naturally ventilated, an increase on energy consumption has been verified. During the first occupancy phase of new and refurbished buildings, energy and indoor climate quality (ICQ) audits are important strategies to improve the buildings’ energy use. In new buildings, the most common errors are due to poor operation and management. Schools energy management programmes often result in a list of energy efficiency measures that do not necessarily reflect occupants’ conditions or satisfaction. They are more directed to management control and comparison with benchmarks of energy use/m2 or cost/student to assess energy efficiency. In all cases, monitoring and consumption patterns are mandatory. In this context, this thesis aims at developing energy efficiency plans (EEP) for modernised Portuguese school buildings. The framework of the thesis starts with the development of an international overview of the recent research and development in the field of energy consumption in schools [searching for statistical benchmarks that could contribute to an accurate school building indicator (SBI)]. Then, based on a database provided by Parque Escolar, an energy consumption assessment of Portuguese school buildings is presented, between the pre and post intervention phases. Drawing on this procedure, eight representative modernised secondary schools were selected, geographically and climatically distributed. After, an energy audit and indoor environment quality (IEQ) monitoring is performed in this schools selection. The continuous monitoring period varied between schools, from a minimum of 48h monitoring up to three weeks, during the mid-season [spring – autumn period (excluding summer vacation) in 2013]. Air exchange rates (AER), more specifically infiltration rates, are quantified aiming at determining the current airtightness condition of the refurbished schools. A subjective IEQ assessment is also performed, focusing on occupants’ feedback, providing insight on the potential linkages between energy use and occupants’ satisfaction and comfort. The thesis builds on the current EEP panorama and practice, which is based only on cost/energy control, extending it to address the equilibrium between IEQ evaluation and occupants’ perceived conditions/preferences. This approach is applied in two schools – selected based on the previous study on energy and IEQ conditions of the eight schools. The EEP methodology starts by deepening the knowledge of each school, mostly focusing on crossing the schools occupancy schedule with systems operation [(mainly those controlled by the building management system (BMS)]. An analysis on recently updated legislation is also performed (in particular fresh air flow rates requirements). It is shown that some potential energy savings can be achieved and that IEQ conditions can be improved at very low or even negligible costs. Other considerations, namely addressing the thermal energy production systems of the schools (e.g., boilers scheduling), the lighting systems (e.g., lighting circuits) and non-controlled plug loads, are also mentioned. Based upon all these findings, a handbook of good practice is drafted for secondary school buildings in Portugal. This EEP is accompanied by a list of Energy Efficiency Measures (EEM). It is proposed that this document is headed by a School – Energy Performance Certificate (S–EPC) based on the billed energy consumption. This document suggests the establishment of the figure of the Energy Manager.

Durante os últimos anos, tem vindo a decorrer em Portugal um importante programa de reabilitação de escolas secundárias, coordenado pela empresa pública Parque Escolar E.P.E. (PE), denominado Programa de Modernização do Parque Escolar Destinado ao Ensino Secundário. Este programa teve em consideração sistemas de energia renováveis (SER), nomeadamente a integração de painéis solares para a produção de águas quentes sanitárias (AQS). Não obstante, com a introdução de sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC), em edifícios que anteriormente eram dotados apenas de ventilação natural, verificou-se um aumento do consumo energético dos mesmos. Durante os períodos iniciais de ocupação de edifícios novos e reabilitados, as auditorias energéticas e de qualidade de climatização interior são estratégias importantes para melhorar o consumo de energia nesses edifícios. Nos edifícios novos, os erros mais comuns devem-se a má gestão e manutenção. Os programas de gestão de energia em escolas resultam frequentemente numa lista de medidas de eficiência energética, que não reflete necessariamente as condições ou satisfação dos seus ocupantes. Tendem a ser mais direcionados para o controlo de gestão e comparação de indicadores de consumo de energia/m2 ou custo/estudante como meio de avaliação de eficiência energética. Em qualquer um dos casos, a monitorização e padrões de consumo são imperativos. Neste contexto, esta tese tem por objetivo desenvolver Planos de Eficiência Energética (PEE) para edifícios escolares reabilitados em Portugal. A estrutura da tese inicia com o desenvolvimento de uma contextualização internacional dos recentes estudos desenvolvidos no campo dos consumos energéticos de escolas [procurando indicadores estatísticos que possam contribuir para a definição de um rigoroso indicador de edifícios escolares (IEE)]. Seguidamente, a partir de uma base de dados fornecida pela Parque Escolar, realiza-se uma avaliação do consumo energético de edifícios escolares em Portugal, entre as fases de pré e pós-intervenção. Este processo permitiu selecionar um grupo representativo de oito escolas secundárias, distribuídas geográfica e climaticamente. Posteriormente, desenvolveu-se uma auditoria energética e de qualidade ambiental interior (QAI) nas escolas selecionadas. O período de monitorização contínua variou entre escolas, desde um mínimo de 48h até três semanas, no período de meia-estação [primavera – outono de 2013 (excluindo o período de férias de verão)]. As taxas de renovação horária, mais especificamente as taxas de infiltração, medidas durante os períodos de desocupação, foram também quantificadas, revelando a condição atual de hermeticidade destas escolas. Desenvolveu-se ainda uma avaliação subjetiva de QAI, centrada nas respostas dos ocupantes, o que permitiu explorar a relação entre o consumo energético e o conforto e satisfação dos ocupantes destas escolas. A tese desenvolve o panorama geral dos atuais PEE, baseados unicamente no controlo de energia/custos, estendendo-os, com vista a alcançar o equilíbrio entre a avaliação de QAI e as condições/preferências percecionadas pelos ocupantes. Esta abordagem global foi realizada em dois casos de estudo do grupo de oito escolas, cuja seleção foi baseada no anterior estudo das condições de QAI e consumo energético. A metodologia dos PEE inicia com um aprofundamento da informação de cada uma das escolas, principalmente focado no cruzamento de informação do horário de ocupação da escolas com os horários dos sistemas [(nomeadamente, dos controlados pelo sistema de gestão técnica centralizada (GTC]. Realizou-se ainda uma análise dos requisitos de ar novo à luz da legislação recentemente atualizada. Os resultados demonstram que potenciais poupanças energéticas poderão ser atingidas e que as condição de QAI podem ser melhoradas, a custos reduzidos ou mesmo negligenciáveis. Outras considerações, nomeadamente as direcionadas aos sistemas de produção de energia térmica (e.g. horário de funcionamento de caldeiras), aos sistemas de iluminação (e.g. circuitos de iluminação) ou cargas de tomada não controladas são também apresentadas. Com base em todos os resultados obtidos, elaborou-se um manual de boas práticas para as escolas secundárias em Portugal. Este PEE é acompanhado de uma lista de Medidas de Eficiência Energética (MEE). Propõe-se que este documento seja encabeçado por um Certificado de Desempenho Energético de Escolas (CDE–E) baseado nos consumos energéticos evidenciados pelas faturas. A criação da figura do Gestor de Energia é também sugerida neste documento.