8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
AUDITAC – UMA ESTRATÉGIA DE REDUÇÃO DOS CONSUMOS ENERGÉTICOS NOS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO EM EDIFÍCIOS
André Poças1, José Luís Alexandre2 e Ian Knight3
1,2, Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto – Rua Dr. Roberto Frias
3Welsh School of Architecture, Cardiff University, UK 1pocas.andre@fe.up.pt, 2jla@fe.up.pt, 3knight@Cardiff.ac.uk
RESUMO
Este trabalho assenta nos resultados obtidos no decorrer de um projecto europeu (AUDITAC1 [1]), cujo
objectivo era avaliar o impacto energético das auditorias energéticas, e respectiva substituição de equipamentos obsoletos, em edifícios de serviços na Europa.
Desta forma, foi possível estimar o potencial de ganhos energéticos em instalações de AVAC2 instaladas
em edifícios europeus com base numa análise estatística de exemplos reais. Esta análise centrou-se em casos de estudo conciliando técnicas de simulação detalhada e auditorias energéticas (AE) realizadas a vários edifícios da União Europeia (UE). Para esta análise foi necessário uma correcta caracterização dos diferentes edifícios e sistemas AVAC em função das suas actividades e respectiva especificidade.
A escolha criteriosa dos casos de estudo teve como propósito averiguar quais os tipos de equipamentos de AVAC intrínsecos a cada tipologia de edifício em análise. A desagregação energética, em função dos diferentes consumidores existentes nos edifícios, permitiu identificar os referenciais de excelência para os sistemas de AVAC de acordo com o tipo de edifício procurando os melhores processos, e práticas, para a realização de uma auditoria.
Os resultados obtidos baseados em casos reais vão permitir ao auditor/proprietário da instalação, numa primeira aproximação, determinar qual o potencial de poupança energética resultante da aplicação das diferentes estratégias de auditoria e demonstrar aos proprietários dos edifícios as vantagens económicas da execução de uma auditoria, acelerando o ciclo de aprendizagem da nova directiva EPBD e reduzindo os consumos globais.
Palavras-chave: Eficiência Energética, EPBD, Auditorias, Ar Condicionado, AUDITAC
Código 1482
1
INTRODUÇÃO
A eficiência energética em edifícios, é uma área de grande importância pelo potencial que a mesma representa, em termos de poupança energética sectorial, e consequente impacto em termos de redução dos consumos energéticos e das respectivas emissões dos gases de efeito de estufa (GEE). De acordo com estudos recentes, cerca de 2200 milhões de metros quadrados de área será climatizada até 2010. De acordo com as actuais taxas de crescimento, a área total de sistemas de AC aumentará em 1200 milhões de metros quadrados para 2200 milhões em 2010 podendo atingir o dobro em 2020 [2].
Nos últimos 20 anos, na UE, a utilização de sistemas AVAC nos edifícios aumentou extraordinariamente e, naturalmente, a sua importância no que diz respeito ao consumo de energia e ás emissões de GEE. O envelhecimento destes sistemas é de tal forma que a maior parte deles necessita de ser renovada e/ou substituída (após 10-15 anos da operação). A nova directiva para edifícios da comissão europeia (EPBD3) [3*
(4)] prevê que em 2012 50% dos recursos do mercado do AVAC será usado na substituição dos equipamentos obsoletos, assim está criada a oportunidade para promover a eficiência dos sistemas com a inclusão de equipamentos mais eficientes. Se esta acção for acompanhada com auditorias energéticas a todo o sistema, então a redução no consumo de energia será significativo. Muita das vezes, os proprietários dos edifícios não estão cientes das vantagens económicas, e do potencial de poupança de energia, que podem advir da inspecção/auditoria aos os sistemas de AVAC, caso contrario tomariam medidas correctivas para melhorar a eficácia das suas instalações de AVAC.
É possível em relativamente pouco tempo, e não criando grandes medidas inovadoras, produzir uma lista de defeitos e/ou melhorias susceptíveis de serem aplicadas às instalações, que sejam consistentes entre inspectores/auditores, obrigatórias e fáceis de por em prática contribuindo, desta forma, para a iniciação do processo que conduz à eficiência energética e acelerando a substituição e aperfeiçoamento dos sistemas de AVAC.
Com base nos resultados obtidos no AUDITAC e com base na desagregação dos consumos energéticos é possível extrapolar o potencial energético resultante da aplicação das auditorias energéticas e que vêm de encontro á EPBD, e nomeadamente a norma prEN 153784 que estabelece as orientações para a inspecção de
sistemas AVAC.
Este trabalho é baseado nos resultados obtidos no decorrer de um projecto Europeu AUDITAC financiado pela Comissão Europeia através do programa EIE, “Intelligent Energy – Europe”. Com base nas diferentes auditorias realizadas pelos diferentes membros do projecto foi possível estimar o potencial de poupança energética associado à realização de auditorias periódicas.
AUDITAC E A EPBD
A implementação a 4 de Janeiro de 2006 da nova directiva para edifícios da comissão europeia (EPBD) [4] causou uma necessidade de facultar informação e ferramentas necessárias para pôr em prática as suas novas exigências.
O artigo 9 do EPBD intitulado “inspecção de sistemas de ar condicionado”. Estipula que “no que diz
respeito a reduzir o consumo de energia e a limitar as emissões do dióxido de carbono, os estados de membros criarão as medidas necessárias a estabelecer uma inspecção regular a sistemas de ar condicionado cuja potência seja superior a 12 kW”. Além disso, “esta inspecção incluirá uma avaliação da eficiência do sistema de ar condicionado e da sua capacidade comparando-a com às exigências do edifício”. Finalmente, “aconselhamento adequado deverá ser fornecido aos usuários na melhoria ou substituição dos sistemas de ar condicionado e soluções alternativas”.[4]
O projecto AUDITAC tenta responder a algumas das exigências focadas no artigo 9 da EPBD centrando-se pela primeira vez na inspecção dos sistemas de AVAC existentes fornecendo alguma da informação requerida para efectivar acções que reduzam o consumo de energia e o impacto ambiental dos sistemas de AC dos
3 EPBD - Energy Performance Building Directive
4 prEN 15378 – Energy Performance of Buildings/Ventilation for Building – Guidelines for the Inspection of
edifícios. Pretende-se que os resultados obtidos sejam usados tanto durante a inspecção/auditoria como também fora dela.
AUDITAC UMA FERRAMENTA PARA AUDITORIAS EM AVAC
O projecto AUDITAC tinha como objectivo principal o incentivo à realização de auditorias que, para tal, estabeleceu um conjunto de metas:
- Proporcionar a criação de ferramentas e disponibilizar informação aos proprietários, e operadores de sistema de AVAC, facilitando a identificação de acções que possibilitem poupanças económicas e reduzam a emissão de GEE;
- Permitir aos estados membros intensificar a adopção da inspecção aos sistemas de AVAC tal como está descrita na directiva EPBD;
- Gerar casos de estudo que possam servir de elementos de “benckmarking” e também sirvam de apoio a futuras auditorias;
- Ajudar a promover modelos, e procedimentos, de boas práticas exequíveis no decorrer de uma auditoria e consequente alteração dos sistemas AVAC;
- Fornecer a informação necessária para permitir que as inspecções, e as auditorias standard, progridam para auditorias detalhadas podendo estas ser implementadas nas instalações de AVAC existentes.
Para este efeito, foram desenvolvidas várias aplicações em suporte informático para ajudar os auditores, inspectores e proprietários dos edifícios, a identificarem as oportunidades mais relevantes na eficiência energética em sistemas AVAC existentes, de forma a evitarem os erros frequentes que conduzem a desperdícios energéticos. Este projecto tenta assim alcançar todos os intervenientes do mercado AVAC (fabricantes, instaladores, funcionários de manutenção, etc), com o intuito de envolvê-los nos procedimentos de auditoria aos equipamentos existentes, fazendo com que este processo se torne mais fácil e melhorando assim a sua aceitação.
Foi criada no final do projecto uma base de dados AUDIBAC [5], disponível para os representantes do sector no sentido de facilitar a obtenção de informação sobre as soluções resultantes das auditorias e que conduzam ao aumento da eficiência dos sistemas AVAC. Desta forma, foram incluídas instalações AVAC concretas e bem definidas, cobrindo o maior número possível de exemplos obtidos no decorrer do projecto. Na base de dados encontram-se uma diversificidade de sistemas, edifícios e climas o que permite ao utilizador ter uma visão global do problema e das soluções apostadas para cada um dos exemplos. Potenciando deste modo uma maior número de soluções próximas das que o utilizador tem para avaliar.
Os casos de estudo apresentam dois tipos de resultados, os derivados directamente da auditoria e os simulados. No caso das simulações, estas foram realizadas com auxílio a vários programas (Energy Plus, TRNSYS, ESP-r, etc) apresentando apenas potenciais poupanças energéticas, pois na prática os resultados obtidos ainda não foram implementados. As ferramentas de simulação nestes casos são bastantes úteis quando usadas como método de previsão e optimização dos sistemas AVAC instalados, ou criando novas soluções tendo em vista a eficiência energética dos edifícios.
A base de dados AUDIBAC contém informação sobre os edifícios e os sistemas AVAC envolvidos, para diferentes casos de auditoria. Num processo típico de aconselhamento ao cliente, o auditor deve encontrar na base de dados um caso similar ao edifício e ao sistema de AVAC que esta a ser por si auditado, a fim de poder comparar as diferentes soluções energéticas apresentadas na base de dados. As diferentes variações à configuração de referência (ie existente na AUDIBAC) podem ser testadas e verificadas, quer durante o processo de auditoria, ou a priori através dos exemplos que povoam a base de dados. A base de dados fornece uma lista de sintomas/consequências de acordo com o tipo do sistema do utilizador/auditor, apresentando uma vasta lista de oportunidades de conservação de energia para os edifícios e os seus sistemas AVAC (ECOlist).
A base de dados está disponível “on-line” [5], para os utilizadores que queiram contribuir para o aumento do número de casos de estudo, aumentando o número e o tipo de exemplos tornando-a muito mais abrangente. POTENCIAIS REDUÇÕES ENERGÉTICAS
A auditoria a sistemas AVAC consiste em analisar a informação disponível relativa aos desempenhos reais de energia e em identificar as oportunidades mais rentáveis de reduzir esses consumos. Uma particular
atenção é dada ao consumo energético proveniente do arrefecimento embora não possa ser totalmente dissociado das necessidades de aquecimento.
Para se poderem alcançar bons níveis poupança energética, os proprietários dos edifícios/auditores devem conhecer o edifício e os consumos energéticos derivados da sua utilização, que são função de:
- Horas de funcionamento dos sistemas AVAC e o período de pré – arrefecimento; - Condições interiores de conforto, ie temperatura, humidade, níveis de iluminação;
- Localização dos sistemas quer de AVAC quer de iluminação desnecessários, ie zonas não ocupadas;
- Pontos e horários de funcionamento dos grupos produtores de água refrigerada (GPAR) e bombas de circulação;
- Consumos de energia específicos dos equipamentos; - Consumos de energia da iluminação;
- Zonas com elevados consumos energéticos.
Em alguns países da EU face á quantidade de estudos já realizados, é possível ter-se uma ideia da utilização da energia nos edifícios de escritório. Assim, numa primeira aproximação, o auditor pode saber qual é o potencial de poupança energética alcançado com a aplicação das diferentes estratégias já apresentadas.
A Fig. 2 mostra a desagregação energética típica para um edifício de escritórios na UE [3].
Fig. 1 - Desagregação energética final do caso de estudo Belga [3] 30% 45% 25% 45% 25% 30% AVAC Equipamento Iluminação
Fig. 2- Desagregação energética final média para um edifício de escritórios europeu com base em valores experimentais
EXEMPLOS PRÁTICOS – CASOS DE ESTUDO
Foram vários os casos de estudos usados para suportar, testar e ilustrar as vantagens que podem ser retiradas da implementação da inspecção a sistemas AVAC, usando como cenário vários países da UE. Mais do que a própria inspecção em si, o objectivo é promover novos procedimentos de auditoria, de acordo com um formato padrão, como um método eficaz e real de alcançar poupanças significativas de energia.
Tabela 1: Casos de estudo analisados [3] Nr. Nome e Localização Es cri tóri os Ho sp it ai s Ce nt ros de Info rm át ic a Audi tó ri os Bibl iot ec as Ce nt ros de In ve st ig ação Es ta be le ci me nt os Come rci ai s A rqui vos Dep r. Cul tu rai s
1 ACS-1 Salzburg, Áustria ●
2 ACS-2 Linz, Áustria ●
3 BCS-1 Namur, Bélgica ●
4 BCS-2 Brussels, Bélgica ●
5 BCS-3 Liège, Bélgica ●
6 FCS-1 Orleans, França ●
7 FCS-2 Paris, França ●
8 ICS-1 Turin, Itlia ●
9 ICS-2 Vercelli, Itália ●
10 ICS-3 Oderzo, Itália ●
11 ICS-4 Bologna, Itália ●
12 PCS-1 Porto, Portugal ● 13 PCS-2 Porto, Portugal ● 14 PCS-3 Porto, Portugal ● 15 PCS-4 Porto, Portugal ● 16 PCS-5 Porto, Portugal ● 17 SCS-1 Maribor, Eslovénia ● 18 UKCS-1 Leicester, UK ● 19 UKCS-2 Westminster, UK ● 20 UKCS-3 Cardiff, UK ● 21 UKCS-4 Cardiff, UK ● 22 UKCS-5 Cardiff, UK ● 23 UKCS-6 Oxford, UK ● 24 UKCS-7 Londres, UK ● 25 UKCS-8 Londres, UK ● 26 UKCS-9 Londres, UK ●
A, apresenta esquematicamente os casos de estudo analisados, em termos de tipos de sistemas e, não menos importante, o tipo de edifícios onde foram executadas as auditorias. No total foram analisados vinte e seis casos de estudo distribuídos por sete países sendo, basicamente distribuídos em três grandes categorias; edifícios de escritórios (14 casos), hospitais (3 casos) e finalmente edifícios genéricos de serviços (9 casos).
Ser viço s (S) Es cri tóri os (O) H os pit ais (H ) Com erci ais (C)
Fig. 3: Tipologias dos edifícios consideradas
Os sistemas de AVAC mais representativos destes casos de estudo estão representados na (Fig. 4) e são apresentados segundo a sua tipologia na Tabela 2.
Sistemas Centralizados de AVAC Sistema primário (SP) Sistema secundário (SS)
Grupo produtor de água refrigerada (GPAR) Caldeira Bomba de Calor Torres de Arrefecimento Splits Sistema tudo ar
Sistema tudo Água
Sistema de expansão directa Multi-Splits VRF Bomba de Calor
Sistemas Não Centralizados de AVAC
Fig. 4: Classificação atribuída aos sistemas AVAC
Os casos de estudo estão classificados de acordo com tipo de edifício (funcionalidade) e com o tipo de sistema AVAC. Esta classificação torna mais fácil a comparação entre os diferentes casos de estudos e permite estimar de uma forma simplista em casos reais, o valor dos possíveis ganhos em edifícios da UE a nível de AVAC, assim como fornecer uma lista de eventuais avarias, ou mau funcionamento, de equipamentos, que o auditor pode provavelmente encontrar durante a fase prévia, ou durante a própria auditoria. De uma forma geral, a classificação atribuída para os sistemas AVAC e os edifícios é a seguinte:
Tabela 2: Alocação do tipo de sistema à tipologia do edifício [3]
BC S - Na m ur F C S - 1 - Orlean s PCS – P or to SCS 1 M ar ibo r UK CS - 1 L eiceste r AC S -2 - Li nz ICS -2 - Vercell i ICS- O der zo PC S -1 - Po rt o PC S-2 - Po rt o PC S -3 - Po rt o PC S-4 - Po rt o ACS -1 Sa lz bur g IC S- T urin BCS -2 - Br ussels U K C S -3 - Ca rd if f BCS -3- Li eg e UK CS -2- W estmin ster UK CS-4 - Ca rd if f UK CS-5 - Ca rd if f U K C S -6 Ox fo rd U K CS 7 L on dres U K CS 8 L on dres U K CS 9 L on dres FC S-2 - P ari s O O O O O H H H S S S S S S O S S O C O O O O O O - GPAR • • • • • • • • • • • • - Caldeira • • • • • • - Bomba de Calor • SP - Torres Arrefecimento • • - Sistemas tudo Ar • • • • • • • • • • • • • • Centralizado SS
- Sistemas tudo Água • • • • • • • • • •
Não Centralizado - Split • • • - Multi Split • - VRF • • • • • Tipo s d e Sist em a s AVAC Expansão Directa - Bomba de Calor •
A potencial poupança energética observada nos diferentes casos reais podem ser subdivida nas seguintes estratégias de auditoria:
- Controlo e eficiência de iluminação: em alguns dos casos de estudo (CS) acima apresentados os melhoramentos energéticos obtidos através de uma nova estratégia de controlo da iluminação foram relevantes. No caso PCS-3 a redução da iluminação para 8 W/m2 teve um duplo efeito no consumo de
energia, directamente no consumo de energia eléctrica e consequentemente na redução das cargas internas, ie no pico da potência de arrefecimento. No final, com uma estratégia de controlo adequada ao sistema AVAC, foi possível obter uma redução de 43% do seu consumo global de energia. Claro que não se trata unicamente do efeito causado pela iluminação mas também de todo o sistema de controlo.
- Optimização e gestão dos sistemas de controlo: um bom sistema de controlo e de gestão pode proporcionar, em alguns casos, elevadas poupanças energéticas. Isto verificou-se no ACS-1 (Tabela 2) onde a poupança energética total atingiu os 70%.
- Arrefecimento gratuito: a utilização do arrefecimento gratuito apresentou, em alguns casos, excelentes resultados, os dividendos energéticos foram de 30% a 60%, do consumo total de energia. Esta solução está fortemente dependente das condições climatéricas, sendo que os países com climas frios são mais susceptíveis para este tipo de solução.
- Substituição de equipamento: existe um grande número de CS, baseados na substituição do GPAR, ie a substituição do equipamento antigo por um novo com melhor eficiência. Os CS demonstram que em alguns casos a poupança energética atingiu os 35% (ACS-2) (Tabela 2) e noutros, a poupança energética atingiu os 56% do total de energia utilizada no sistema de arrefecimento (FCS-1).
De uma forma simples é possível estimar a quantidade de energia poupada com a substituição do GPAR. Tendo em conta a evolução do EER dos últimos dez anos, a eficiência dos sistemas GPAR aumentou cerca de 30% (EECCAC) [6], sendo desta forma perfeitamente possível fazer uma previsão da poupança energética para os próximos anos dos sistemas AVAC.
CONCLUSÕES
A partir de uma observação dos resultados obtidos, pode-se verificar que os proprietários dos edifícios são os primeiros a beneficiar de uma inspecção regular capaz de gerar poupanças energéticas. A maioria destes precisa de ter a certeza que o desempenho do seu edifício se degrada enquanto não forem tomadas acções que impliquem uma diminuição dos custos globais.
A inspecção regular sublinhará, com toda a certeza, a racionalidade económica e ambiental de uma renovação parcial, ou completa da instalação de AVAC, ou da mudança do modo de operação. Nesse caso tornar-se interessante para o proprietário do edifício a realização de uma auditoria energética após uma inspecção.
Os resultados obtidos, baseados em casos reais, vão permitir ao auditor/proprietário da instalação, numa primeira aproximação, determinar qual o potencial de poupança energética resultante da aplicação das diferentes estratégias de auditoria e demonstrar as vantagens económicas da execução de uma auditoria detalhada. A inspecção/auditoria vai acelerar desta forma a substituição dos actuais sistemas de AVAC por sistemas mais eficientes demonstrando, com base nos resultados apresentados anteriormente, que sua instalação operava com uma eficiência reduzida comparativamente com o novo sistema.
A inspecção deve focar-se em vários aspectos tais como: no tamanho das instalações, pois estas devem estar mais próximas das zonas onde as necessidades de arrefecimento são mais intensas; na escolha apropriada do equipamento que tem que ser orientado pelo custo total (investimentos + operação); na gestão dos processos de AVAC (Plano de Manutenção); e finalmente nas melhores tecnologias disponíveis no mercado. A inspecção deverá alertar também para a importância de uma boa manutenção e operação (M&O), para a maioria dos processos. Sem um plano de M&O apropriado a cada instalação, a eficiência do sistema AVAC diminui de forma exponencial com o tempo. É por isso essencial focalizar, na existência ou não da boa prática do M&O durante a inspecção pois os proprietários dos edifícios não estão necessariamente cientes e conscientes deste problema que se traduz em custos excessivos de exploração das suas instalações.
REFERÊNCIAS
[1] Auditac, apoiada pela SAVE-EIE ver http://www.eva.ac.at/projekte/auditac
[2] M. Dupont et al., 2005, Inspection and auditing of air conditioning facilities in Europe – A new efficieny target, June 2005
[3] J. Alexandre et al., 2006, Report of WP 6 – Final Version – Case studies for best practice in assessment and resizing, December 2006
[4] European Parliament, 2003, Directive 2002/91/EC of the EP and of the Council of 16 December 2002 on the Energy Performance of Buildings, Official Journal of the European Communities, L 1/65, Vol. 46, 4 January 2003
[5] Auditac, apoiada pela SAVE-EIE ver http://paginas.fe.up.pt/~auditac/index.php
[6] EECCAC 2003: EECCAC Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners, final report 2003, a SAVE Project.
[7] J. Alexandre et al., 2006, Technical guides for owner/manager of an air conditioning system: volume 10 - Successful Case Studies in AuditAC, December 2006
[8] CEN, 2004, Preliminary drafts for a Standard about Ventilation for buildings – Energy performance of Buildings – Guidelines for inspection of Air-Conditioning systems, October 2004
[9] J. Adnot et al., 2003, Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners (EECCAC) for the Directorate General Transportation-Energy of the Commission of the European Union, May 2003
[10] J. Adnot et al., 1999, Energy Efficiency of Room Air-Conditioners (EERAC) for the Directorate General Transportation-Energy of the Commission of the European Union, May 1999
[11] J. Adnot et al., 2005, National and EU wide efforts to increase Energy Efficiency of installed Air Conditioners, June 2005
