UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE EDIFÍCIOS INTELIGENTES NA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA, UNICAMP.

UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS DE EDIFÍCIOS INTELIGENTES NA FACULDADE

DE ENGENHARIA MECÂNICA, UNICAMP.

GIANCARLO RAONI BASSETTO1_{, GUILHERME AUGUSTO A ZAPAROLLI}1_,

GUSTAVO STELLA FRAY1

1_{Curso de Graduação – Faculdade de Engenharia Mecânica/ UNICAMP.}

RESUMO: No presente trabalho foi estudado a viabilidade econômica da atualização de parte do sistema hídrico, do sistema de refrigeração e de iluminação do prédio da FEM – UNICAMP por tecnologias novas e mais eficientes. Para o sistema hídrico foi obtido um payback de 35 anos, para o sistema de iluminação de 9 anos e para o de refrigeração foi obtida uma economia anual de seiscentos mil reais, indicadores da viabilidade de atualização de cada um deles.

PALAVRAS-CHAVE: edifícios inteligentes, gestão de energia, recursos hídricos e energéticos.

INTRODUÇÃO

Na sociedade moderna, a função dos edifícios deixou de ser simplesmente abrigar pessoas. Incorporou-se às suas funções propiciar aos usuários melhores condições de conforto e produtividade para que possam desempenhar bem suas funções dentro da empresa. Essas mudanças conceituais passam a exigir uma série de instalações e serviços que possibilitem uma melhor manutenção das condições de habitação e trabalho nos edifícios, bem como uma melhor

gestão dos recursos envolvidos a fim de viabilizar economicamente os empreendimentos realizados.

É neste cenário de mudanças que surgem os edifícios de alta tecnologia ou edifícios inteligentes, onde aspectos como conforto, produtividade, segurança e otimização dos espaços e instalações passam a ter tanta importância como o aspecto exterior do edifício. Na verdade, pode-se dizer que os objetivos de um edifício inteligente são: comodidade, segurança, controle de energia e eficácia.

Os diversos processos presentes em um edifício automatizados podem ser classificados

basicamente em cinco sistemas: elétrico, sistema de condicionamento ambiental, hidráulico, sistema de elevadores e sistema de segurança. O sistema elétrico consiste de equipamentos utilizados na transformação e distribuição de energia elétrica, os dispositivos utilizados na medição de grandezas elétricas e os elementos utilizados na iluminação geral e de emergência.

O sistema hidráulico é responsável por controlar o abastecimento e a qualidade da água potável no edifício além do tratamento e despejo de efluentes na rede pública.

O presente trabalho consiste na análise do edifício de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, e que modificações poderiam ser feitas nos sistemas elétrico e hidráulico de forma a obter um melhor aproveitamento e economia de recursos hídricos e elétricos.

MATERIAIS E MÉTODOS

Primeiramente foi necessário um levantamento das possibilidades de redução de gastos elétricos e hídricos em relação ao prédio em estudo, foram consultadas então os trabalhos RODRIGUES (2002), PROCEL (2006) e MUNARO & MENEGÁZ (2005), além de consultar o Prof.Dr. Fernando de Almeida França.

Após a fixação do objeto em estudo o prédio foi percorrido e foi avaliada a quantidade de torneiras de água, lâmpadas elétricas e

ar-condicionados. Também foi medido o gasto hídrico e energético de cada um destes componentes. Após tal foram propostas modificações nos sistemas hídricos, de iluminação e de refrigeração de forma que ocorra diminuição de gastos. Finalmente foi executada uma análise financeira para estudar a viabilidade de tais modificações.

RESULTADOS E DISCUSSÃO Sistema Hidráulico

A Tabela 1 mostra a quantidade de alunos e funcionário da faculdade de engenharia mecânica.

Tabela 1. Quantidade de pessoas na Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP.

Alunos / Número

CURSO Turma de TurmasAlunos

Mecânica 2003-> 140 4 560 Mecânica ->2003 60 1 60 Mecatrônica 60 5 300 Total alunos -> Estimativa de Professores Funcionários Pós Graduandos Total 1120 920 Total 50 50 100

É considerado que cada pessoa utilize o banheiro pelo menos uma vez por período, sendo que a cada utilização a torneira de fechamento automático é acionada duas vezes, uma para molhar a mão e outra para enxaguá-la. Como existem dois prédios e apenas um é foco de nosso

estudo, a quantidade de pessoas será estipulada como igualmente dividida entre os dois, também será considerado que alunos da mecânica, professores, funcionários, mestrandos e doutorandos também utilizem a torneira para escovar os dentes uma vez por dia. A torneira será ativada duas vezes durante a escovação dentária, a primeira para molhar a escova e a segunda para enxágüe bucal. A Tabela 2 apresenta o gasto estimado de água e seu custo. Deve-se considerar que por ativação da torneira é utilizado 1 litro de água (10 segundos de ativação e uma vazão de 6 litros/min). A tarifa considerada para o metro cúbico é de R$0,91, equivalente à residencial.

Tabela 2. Gasto estimado de água a seu custo para cursos da FEM.

Número de Gasto Custo

CURSO ativações (m^3/mês) (R$/mês) Mecânica 2003-> 6 36,96 33,63 Mecânica ->2003 6 3,96 3,60 Mecatrônica 4 13,20 12,01 Total alunos Estimativa de Professores 6 3,30 3,00 Funcionários 6 3,30 3,00 Pós Graduandos 6 6,60 6,01 Total 67,32 61,26

Ao substituir torneiras de fechamento automático por torneiras com sensor de presença é de se esperar que ocorra uma redução no gasto de água. O valor exato é difícil de se estimar visto que pessoas utilizam as torneiras de forma diferente, mas para uma primeira análise foi considerado que uma pessoa utiliza a torneira com

sensor por 15 segundos e, para escovar os dentes, 10 segundos. A Tabela 3 apresenta os novos gastos de água e o custo para o novo sistema.

Tabela 3. Novos gastos e utilização de água para um novo sistema avaliado.

Utilização Gasto Custo

CURSO (seg) m^3/mês R$/mês Mecânica 2003 -> 40 24,64 22,42 Mecânica ->2003 40 2,64 2,40 Mecatrônica 30 9,90 9,01 Professores 40 2,20 2,00 Funcionários 40 2,20 2,00 PósGraduandos 40 4,40 4,00 Total 45,98 41,84

A economia se torna então R$19,42 mensais ou R$233,03 anuais. Uma torneira com sensor de presença custa, aproximadamente, R$300,00 e, no prédio de engenharia mecânica existem 27 torneiras de fechamento automático que deveriam ser trocadas. Ao levar em consideração o acima mencionado, obtém-se um tempo de payback simples de, aproximadamente, 35 anos.

Sistema de Refrigeração

Grande parte dos equipamentos de climatização utilizados nos prédios da FEM são muito antigos, e recentemente a tecnologia evoluiu, fazendo com que o consumo médio de uma central de água gelada caísse de 1,2 para 0,55 kW/TR (tonelada de refrigeração).

A correta especificação do sistema também ajuda na economia de energia. A base de cálculo usada como referência de conforto é de uma TR para cada 20 m2. Embora esse número não sirva

para o dimensionamento, por não considerar a carga térmica, que varia de edifício para edifício, ele orienta para o tipo de equipamento mais adequado.

Nos prédios da FEM, cada professor tem uma sala individual de 12m2 com um aparelho de ar-condicionado de um TR em forma de unidade compacta (aparelho de janela). Foram contadas 272 salas de professores no prédio em estudo. Esses aparelhos ficam ligados em médias desde o momento em que o professor chega a sala, às 8h da manha, até a hora que o mesmo vai embora, às 18h, ou seja, os aparelhos funcionam 10 horas por dia. Como já foi dito antes, a eficiência dos aparelhos antigos é muito baixa, algo em torno de 10,75. Com base na eficiência, no tempo de utilização, na quantidade e nos dados técnicos de cada aparelho, foi calculado o consumo de energia por dia dos ar-condicionados, 3264kWh. Uma importante queixa feita pelos professores foi com relação ao barulho dos aparelhos serem muito alto.

A primeira alternativa escolhida para tentar diminuir esse consumo de energia foi propor para os professores que deixem as janelas abertas de noite, de modo que o edifício terá uma ventilação cruzada e ao mesmo tempo dissiparão o calor acumulado ao longo do dia, resfriando a estrutura, o que faz com que o ar-condicionado não seja necessário nas primeiras horas do dia seguinte. Com esse trabalho sendo feito, já diminuiria o

tempo de uso dos aparelhos de 10 para 8 horas por dia.

A segunda e mais significativa alternativa escolhida seria substituir os aparelhos antigos utilizados no momento por centrais multisplit contendo um fan-coil para cada sala de professor. A unidade compacta, ou “aparelho de janela”, consome cerca de 20% a mais que o split.

As centrais de água gelada podem ser consideradas protótipos, uma vez não existem duas iguais no mundo. Seu custo inicial é financeiramente compensador a partir de 5 TR. A água é refrigerada na central, geralmente localizada no subsolo do edifício, e sobe pela tubulação de alimentação isolada até os fan-coils, posicionados em cada andar, onde o ar é resfriado. A seguir, a água volta à central pela tubulação de retorno, também isolada.

O tipo split (termo que significa “divisão”, em inglês) é o que tem a unidade evaporadora (parte silenciosa) no ambiente e a unidade condensadora (ruidosa) no lado externo, a até 25 m de distância. Produto importado de diversos países e recentemente introduzido no mercado nacional, o split ainda não possui estudos que comprovem seu consumo ou permitam comparações seguras, mas estima-se que ele gaste cerca de 20% a mais de energia elétrica do que o ar-condicionado central.

O multisplit, por sua vez, nada mais é do que uma unidade condensadora do tipo split ligada a mais de uma unidade evaporadora - cada

fabricante tem seu limite. Com o multisplit pode-se expandir a capacidade do sistema pode-sem a necessidade do ar-condicionado central.

Através de cálculos, vimos que podemos substituir 36 aparelhos atuais por uma central multisplit do tipo 40MZB480 Carrier, que atenderia á climatização necessária sem nenhum barulho. Para o prédio todo, seria necessário 12 dessas centrais de resfriamento de água. A Tabela 4 mostra os diferentes gastos de energia para dois tipos de sistema de ar condicionado, o primeiro tipo é o previamente existente e o segundo o sistema proposto. Nota-se uma grande diferença de gastos energéticos entre os dois sistemas, enquanto o primeiro gasta 3264kWh por dia o segundo gasta apenas 973,4kWh, fazendo uma diferença de 2290,56 kWh/dia de energia. O custo dessa energia foi proposto em 10 centavos por kWh, visto que é difícil a obtenção de um valor real, dado que depende do contrato entre a faculdade e a distribuidora de energia.

Tabela 4. Gastos dos diferentes sistemas de refrigeração, com ar-condicionados (AC) ou Fan Coils (FaCo).

SISTEMA ATUAL Quantidade Tempo de funcionamento Consumo diário Gasto Diário AC AC AC AC 272 de 1 TR 10 horas/dia 3264 kWh R$ 326,40 SISTEMA PROPOSTO

Quantidade funcionamento Tempo de Consumo diário Gasto diário

AC FaCo AC FaCo AC FaCo Total Total 8 de 36 TR 0,96 TR 272 de 8 horas/ dia 8 horas/ dia 853,8 kWh 119,7 kWh 973,4 kWh 97,30R$

Desta forma, ao substituir o sistema seria economizado R$229,10 por dia. Ao longo de um ano seria economizado aproximadamente 600 mil reais. A viabilidade de um projeto geralmente é considerada em função dos benefícios obtidos em 10 anos, onde seriam economizados 6 milhões de reais. O custo do projeto é de difícil estimativa, pois requer, não apenas o custo dos aparelhos, como toda a reforma predial, mas qualquer projeto custando menos que os benefícios, é interessante.

Iluminação- Ao longo dos anos as tecnologias que envolvem os sistemas de iluminação têm se desenvolvido bastante, hoje em dia temos diversos tipos de equipamentos disponíveis para diversas aplicações. No campo da iluminação sabemos que a qualidade da luz é decisiva, tanto no que diz respeito ao desempenho das atividades, como a influencia que exerce no estado emocional e no bem-estar dos seres humanos.

A eficiência dos sistemas de iluminação artificial está associada, basicamente, ás características técnicas, à eficiência e ao rendimento de um conjunto de elementos, dentre os quais se destacam as lâmpadas e luminárias. Para o calculo da quantidade de luminárias necessárias para um determinado ambiente é utilizada a seguinte formulação proposta pelo

PROCEL (Programa Nacional de conservação da energia elétrica): Fpl U f n L C E N * * * * * =

Onde - E é a iluminância , N é o numero de luminárias necessárias, C é o comprimento do ambiente, L é a largura do ambiente, n é a

quantidade de lâmpadas por luminária, f é o fluxo luminoso (é fornecido pelo fabricante), U é o fator de utilização e Fpl é o fator de perdas luminosas.

Temos que a iluminância (E) é tabelada pela NBR5413 e varia conforme a atividade a ser praticada no ambiente (100lux até 1500lux). O fator de utilização (U) é tabelado e varia conforme o tipo da superfície do ambiente e o índice de local (K) que é dado por:

(

)

Onde - H é a distancia entre a lâmpada e o local de trabalho, C é o comprimento do ambiente e L é a largura do ambiente.

Tabela 5. Fator de Utilização (U).

As lâmpadas utilizadas para os cálculos foram as fluorescentes lineares T5 da GE. A escolha foi feita através de catálogos levando em consideração a maior eficiência. As luminárias utilizadas são as do tipo espelhado, pois são as que possuem melhor índice de refletância, ou seja, são as que melhor transferem a luminosidade da lâmpada para o ambiente em questão. A partir dos dados coletados podemos chegar na seguinte tabela de gastos num dia útil atualmente.

Tabela 6. Valores atuais para a iluminação da FEM. Local Potência (W) Q T Consumo de energia (kWh/dia) Valor gasto (R$) Banheiros 32 90 17 48,96 4,90 Salas 40 864 10 345,6 34,56 Corredores 110 182 17 340,90 34,03 Total 734,90 73,90 (* preço do kWh = R$ 0,10) Q= quantidade T= tempo de utlização

Para se diminuir o consumo foi proposto a instalação de sensores de presença nos banheiros (funcionando durante todo o período) e nos corredores (no período noturno). A expectativa de tempo de uso das lâmpadas nos banheiros foi de cerca de 5 horas por dia e nos corredores de 13 horas por dia. A partir dos cálculos efetuados para adequação da luminosidade nos ambientes e considerando as novas expectativas de tempo de

utilização, foi possível a construção da seguinte tabela com os novos valores de consumo.

Tabela 7. Valores futuros recalculados para uma possível adequação de iluminação na FEM. Local Potência (W) Q T Consumo de energia (kWh/dia) Valor gasto (R$) Banheiros 14 90 5 6,30 0,63 Salas 28 864 10 241,92 24,19 Corredores 28 246 13 89,54 8,95 Total 337,76 33,78 (* preço do kWh = R$ 0,10) Q= quantidade T= tempo de utlização

A economia diária com a instalação das luminárias é de R$ 39,71, o que representa uma economia de R$ 873,62 por mês. Para o calculo do

payback é necessário conhecermos o valor da

instalação. No projeto do novo sistema de iluminação foi proposta a instalação de luminárias com capacidade para: duas lâmpadas de 14W nos banheiros, duas lâmpadas de 28W nas salas e corredores largos e 1 lâmpada de 28W nos corredores estreitos. A tabela 8 mostra a quantidade de cada tipo bem como o valor médio das luminárias. O payback se realizará em 9 anos.

Os resultados presentes ao longo do trabalho indicam a viabilidade ou inviabilidade da instalação dos equipamentos propostos. No caso do sistema hidráulico os estudos mostraram que as

torneiras de acionamento automático são inviáveis devido ao alto custo de instalação e baixo retorno, o que pode ser notado no tempo de payback de aproximadamente 35 anos.

Tabela 8. Quantidades de equipamentos e gastos para a instalação de um novo sistema de iluminação na FEM. Potência (W) N NL VMCI (R$) Valor gasto (R$) 28 2 486 150,00 72.900,00 28 1 138 120,00 16.650,00 14 2 45 100 4.500,00 Total 93.960,00 (* preço do kWh = R$ 0,10) N= número de lâmpadas/luminária NL= número de luminárias

VMCI= valor médio do conjunto instalado

A instalação do sistema de refrigeração indica uma economia anual de aproximadamente 600 mil reais que corresponde a uma grande quantidade de recursos. Entretanto, a viabilidade da instalação do sistema é de difícil tato levando em consideração o alto custo dos equipamentos e de adequação dos prédios. Sendo assim este tema corresponde a objeto de estudos mais detalhados com grande possibilidade de economia para a universidade a médio e longo prazo.

O sistema de iluminação proposto obteve um payback de aproximadamente 9 anos. Tendo em vista a expectativa de um tempo de utilização dos prédios ser muito maior que o período de

retorno, a instalação do sistema é uma possibilidade concreta.

É importante ressaltar que os dados apresentados no trabalho são primários, correspondentes a um primeiro estudo sobre a viabilidade dos sistemas. Sendo assim estudos mais aprofundados são necessários para uma decisão concreta.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RODRIGUES, P. Manual de Iluminação Eficiente, PROCEL. Disponível em:

http://www.cqgp.sp.gov.br/grupos_tecnicos/gt_lici tacoes/publicacoes/procel%20predio_pub_manual _iluminacao.pdf. Acesso em: 23 agosto de 2006.

PROCEL. Guia Técnico de Gestão Energética. Em: http://www.eletrobras.gov.br/elb/procel/. Acesso em: 17 junho 2006.

MUNARO, C.J. MENEGÁZ, P.J.M. Supervisão e Controle Simplificado das Utilidades do Edifício Priorizando a Redução de Custos Operacionais. In: I Seminário Nacional de Controle e Automação, Bahia, Anais...Salvador, 2005. CD – Room.