Building performance simulation tools using microalgae photobioreactors
DOI:
https://doi.org/10.46421/entac.v20i1.5944Keywords:
Modeling and simulation, Building envelope, Thermal and energy performance, Luminous performance, Microalgae photobioreactorsAbstract
Technologies and methodologies applied to the construction sector enable a range of approaches to strengthen the relationship between planning, execution, and as-built monitoring. In this context, this work presents the modeling and simulation tools application for building performance; the object of study is a university building with teaching and laboratory facilities in southern Brazil. These simulations are being developed to assess the applicability potential of closed photobioreactors (CPBR) using microalgae on the building envelope. On one hand, thermal and energy performances were evaluated, including the thermal comfort conditions of the users, as well as the simulation of optimization strategies to improve these performances. On the other hand, the performance of natural lighting was assessed, considering the insertion of CPBR in the window frames. As a partial result, the studies reiterate the importance of modeling and simulation of building conditions in all phases of their conception and useful life; they also emphasize the importance of digital tools for research, innovation, and professional training.
References
GIVONI, B.; GULICH, M.; GOMEZ, C.; GOMUZ, A. Radiant cooling using metal roofs in developing countries. Proceedings of the 21st National Passive Solar Conference. Boulder, USA: American Solar Energy Society, p 83-87, 1996.
GROAT, L.; WANG, D. Architectural research methods. New York: John Wiley & Sons, 2002. ISBN 0-471-33365-4.
REBELATTO, B. G., FRANDOLOSO, M. A. L. Energy Modelling: Methods and Applications. In: Leal Filho W., Marisa Azul A., Brandli L., Lange Salvia A., Wall T. (eds) Affordable and Clean Energy. Encyclopedia of the UN Sustainable Development Goals. Springer, Cham, 2021.
STOUTZ, R. M.; CLARO, A. Análise comparativa de fluxos de trabalho para simulação da iluminação natural em processo de projeto BIM (Building Information Modeling). In: XIV ENCAC – ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO/ ELACAC - ENCONTRO LATINO-AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 14, 2017, Balneário Camboriú.
HENSEN, J. L. M.; LAMBERTS, R. (Ed). Building performance simulation for design and operation. Londres: Spon Press, 2011. ISBN: 978-0-415-47414-6
HENSEN, J. L; M. Evaluation through computational building performance simulation. In: Mallory-Hill, S., Preiser, W. F. E., Watson, C. G. (Ed.). Enhancing building performance. Oxford: Wiley-Blackwell, 2012, 223-233. ISBN 978-0-470-65759-1.
AUGENBROE, G. The role of simulation in performance based building. In: Hensen, J. L. M.; Lamberts, R. (Ed). Building performance simulation for design and operation. Londres: Spon Press, 2011. Chap. 2, p. 15-36.
FRANDOLOSO, M. A. L. La inserción de la eficiencia energética en los edificios universitarios brasileños: las políticas y los procesos de toma de decisiones. Tese (Doutorado). Departament de Tecnologia em l’Arquitectura. Programa de Doctorat en Arquitectura, Energía i Medi Ambient. Escola Tècnica Superior d’Arquitectura. Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona: UPC, 2018a. Disponível em:<http://www.tdx.cat/handle/10803/461416>. Acesso em: 04 mar. 2021.
FRANDOLOSO, M. A. L.; CUCHÍ i BURGOS, A.; CUNHA, E. G. da. The application of eco-efficiency in university buildings: policies and decision-making process. In: Towards Green Campus Operations: Energy, climate and Sustainable Development Initiatives at Universities. Berlim: Springer, p. 141-158, 2018b.
FRANDOLOSO M. A. L., CUNHA E. G., CUCHI I BURGOS A. The decision-making process towards implementing energy efficiency in a university-built park in southern Brazil. Int J Hydro. 2021;5(6):265‒279. DOI: 10.15406/ijh.2021.05.00288
MALLORY-HILL, S. M. Supporting strategic design of workplace environments with Case-Based Reasoning. Tese (Doutorado). Faculteit Bouwkunde, Technische Universiteit Eidhoven, 2004.
MORTON, T. Ecology without nature: rethinking environmental aesthetics. Boston: Harvard University Press, 2007.
MORTON, T. Dark ecology: for a logic of future coexistence. Nova Iorque: Columbia University Press, 2016.
PASQUERO, C, POLETTO, M., GRESKOVA, T. Photosynthetic Architecture in times of Climate Change and other global disruptions. In: 1.T6.S1. Bio Data/Bio Tectonics for Architectural Design. v. 1, eCAADe 38, 2020. p. 583 – 592. Disponível em: https://www.ecologicstudio.com/knowledge-room/ecaade-2020. Acesso em: 20 Nov 2021.
FRANDOLOSO, M. A. L.; FRITSCH, R.; MATANA JÚNIOR, S.; CUNHA, E. G. da .; COLLA, L. M.; NICOLODI, J. de M. Utilização de fotobiorreatores em fachadas para mitigação e sequestro de carbono. In: ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 17., 2023. Anais [...]. São Paulo, 2023. p. 1–10. DOI: 10.46421/encac.v17i1.3996. Disponível em: https://eventos.antac.org.br/index.php/encac/article/view/3996. Acesso em: 27 maio. 2024.
REMPEL, A.; DE SOUZA SOSSELLA, F.; MARGARITES, A. C.; ASTOLFI, A. L.; STEINMETZ, R. L. R.; KUNZ, A.; TREICHEL, H.; COLLA, L. M. Bioethanol from Spirulina platensis biomass and the use of residuals to produce biomethane: An energy efficient approach. Bioresource Technology, v.288, p 121588, 2019.
SIDDIKI, S. Y. A., MOFIJUR, M., KUMAR, P. S., AHMED, S. F., INAYAT, A., KUSUMO, F., BADRUDDIN, I. A., T.M., KHAN, K. T. M., NGHIEM, L. D., ONG, H. C., MAHLIA, T. M. I. Microalgae biomass as a sustainable source for biofuel, biochemical and biobased value-added products: An integrated biorefinery concept. Fuel, 2022, 307, 121782. TERREFORM ONE. Disponível em: https://terreform.org/ Acesso em: 22 Nov 2021.
DECESARO, A., REMPEL, A., MACHADO, T. S., CAPPELLARO, Â. C., MACHADO, B. S., CECHIN, I., THOMÉ. A., COLLA, L. M. Bacterial biosurfactant increases ex situ biodiesel bioremediation in clayey soil. Biodegradation, 2021, 1-13.
DAS, P., QUADIR, M. A., THAHER, M. I., ALGHASAL, G. S. H. S., ALBAJARI, H. M. S. J. Microalgal nutrients recycling from the primary effluent of municipal wastewater and use of the produced biomass as bio‑fertilizer. International Journal of Environmental Science and Technology, 2019, 16, 3355-3364.
DINESHKUMAR, R., SUBRAMANIAN, J., SAMPATHKUMAR, P. Prospective of Chlorella vulgaris to augment growth and yield parameters along with superior seed qualities in black Gram, Vigna mungo (L.). Waste and Biomass Valorization, 2020, 11, 1279-1287.
IPCC. Intergovernamental Panel on Climate Change. AR6 Syntesis Report: climate change 2023. Disponível em: https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-cycle/ Acesso em: 26 de Abr. 2024.
WRI Brasil. Cidades precisam fomentar o acesso equitativo a serviços urbanos para atingir a prosperidade econômica e o desenvolvimento sustentável. 2021. Disponível em: https://wribrasil.org.br/pt/blog/clima/ipcc-relatorio-mudancas-climaticas-2021. Acesso em 08 de Jun. 2021.
UN Climate Change Conference. HOME - UN Climate Change Conference (COP26), Glasgow 2021. Disponível em: https://ukcop26.org/. Acesso 22 Nov 2021.
CARAYANNIS, E.G., BARTH, T.D., CAMPBELL, D.F. The Quintuple Helix innovation model: global warming as a challenge and driver for innovation. Journal of Innovation and Entrepreneurship, v.1, n.2, 2012. https://doi.org/10.1186/2192-5372-1-2
GADANHO, P. Climax Change!: how architecture must transform in the age of ecological emergency. Barcelona: Actar, 2022.
ARUP, FOUR PLAUSIBLE FUTURES: 2050 Scenarios. 2019. Disponível em: https://www.arup.com/-/media/arup/files/publications/2/2050_scenarios.pdf.
MATANA JÚNIOR, S., FRANDOLOSO, M. A. L., COLLA, L. M., CUNHA, E. G. da, NICOLODI, J. de M. Simulação do impacto de fotobiorreatores fechados como elementos de sombreamento de aberturas. Revista Científica ANAP Brasil. ISSN 1984-3240, vol 17, n 43, p. 86-101, 2024. Disponível em https://doi.org/10.17271/19843240174320245128. Acesso em 22 Jul 2024.
COLLA, L.M.; REINEHR, C.O.; REICHERT, C. Production of biomass and nutraceutical compounds by Spirulina platensis under diVerent temperature and nitrogen regimes. Bioresource Technology, 2007, 98, 1489–1493.
VIEIRA SALLA A.C., MARGARITES A.C., SEIBEL F.I. et al. Increase in the carbohydrate content of the microalgae Spirulina in culture by nutrient starvation and the addition of residues of whey protein concentrate. Bioresource Technol, 2016, 209:133–141. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.02.069
MAGRO, F. G., MARGARITES, A. C., REINEHR, C. O., GONÇALVES, G. C., RODIGHERI, G., COSTA, J. A. V., COLLA, L. M. Spirulina platensis biomass composition is influenced by the light availability and harvest phase in raceway ponds. Environmental technology, 2018, 39(14), 1868-1877. https://doi.org/10.1080/09593330.2017.1340352. Acesso 23 Nov 2021
REMPEL, A.; BIOLCHI, G.; ANTUNES, A.C.F.; GUTKOSKI, J.P.; TREICHEL, H.; COLLA, L.M. Cultivation of Microalgae in Media Added of Emergent Pollutants and Effect on Growth, Chemical Composition, and Use of Biomass to Enzymatic Hydrolysis. BioEnergy Research, 2021. https://doi.org/10.1007/s12155-020-10177-w
ZARROUK, C. Contribution a l’etude d’une cyanophycee . Influence de divers facteurs physiques et chimiques sur la croissance et photosynthese de Spirulina maxima (Setch et Gardner) Geitler. Tese. Universidade de Paris, França, 1996.
DESIGNBUILDER. DesignBuilder 2021. DesignBuilder Software Ltd - What's New in v7. Disponível em: https://designbuilder.co.uk/software/what-s-new-in-v7. Acesso em: 24 Nov 2021.
RICHARZ, C., SCHULZ, C, ZEITLER, F. Energy-efficiency upgrades. Munique: Detail, 2007.
MATANA JÚNIOR, S. Estudo de viabilidade técnica e econômica para edificação universitária zero energy Building. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) – Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, 2022.
PBE EDIFICA. PROGRAMA BRASILEIRO DE ETIQUETAGEM. Sobre o PBE EDIFICA. 2024. Disponível em: Início https://pbeedifica.com.br/sobre. Acesso em 28 Abr. 2024.
BRASIL. Diário Oficial da União. Portaria n. 42, de 24 de fevereiro de 2021.
FUNDACENTRO. Norma de Higiene Ocupacional nº11: Procedimento técnico Avaliação dos níveis de iluminamento em ambientes internos de trabalho. São Paulo, 2018
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220-3 Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro, 2005.
TREWARTHA, G. An introduction to climate. 5ª ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 1980. ISBN 0070651523.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15575-1 Edificações Habitacionais — Desempenho Parte 1: Requisitos gerais. Rio de Janeiro, 2013.
PROCEL. Regulamento técnico da qualidade do nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos (RTQ-C). Rio de Janeiro: PROCEL/Eletrobras, 2010a.
PROCEL. Manual para aplicação dos Regulamentos RTQ-C e RAC-C. Rio de Janeiro: PROCEL/Eletrobras, 2012.
PROCEL. Regulamento de avaliação da conformidade do nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos (RACC). In: PROCEL Info. Rio de Janeiro: PROCEL/Eletrobras, 2010.
GESTAL. Smart Gate M. Acesso em 20 jan 2009. Disponível em:<http://www.gestal.com/new/pdf/datasheetGATEM.pdf>.
DE DEAR, R. J., BRAGER, G.S. Thermal comfort in naturally ventilated buildings: revisions to ASHRAE Standard 55. Energy and Buildings, vol. 34, p. 549–561, 2002. ISSN 0378-7788. Special Issue on Thermal Comfort Standards.
ANSI/ASHRAE. Standard 140-2007, Standard method of test for the evaluation of building energy analysis computer programs. 2007
NEGREIROS, B. de A. Análise de métodos de predição de conforto térmico de habitação em clima quente-úmido com condicionamento passivo. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Arquitetura e Urbanismo, Programa de Pós- Graduação em Arquitetura e Urbanismo. Natal, RN: UFRN 2010.
