Optimização da Eficiência Energética em Edifícios

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F

ACULDADE DE

E

NGENHARIA DA

U

NIVERSIDADE DO

P

ORTO

Otimização da Eficiência Energética em

Edifícios

Rui Jorge Gonçalves Oliveira

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Professor Doutor António Carlos Sepúlveda Machado e Moura

Co-orientador: Engenheiro Fernando Ferreira Ramos

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Resumo

Atualmente é de grande importância uma gestão eficiente de todos os recursos indispensáveis para o quotidiano da sociedade. Nesse contexto, tem de ser dada especial atenção à forma como são utilizados os recursos energéticos, de modo a diminuir a pegada energética da sociedade, sendo necessário aplicar políticas de eficiência energética.

Ao longo desta dissertação, são estudadas medidas possíveis de ser aplicadas num edifício escolar, de forma a otimizar a eficiência energética deste mesmo estabelecimento de ensino. A escola em estudo é a Escola Secundária de Águas Santas e o foco do estudo incide na otimização do tarifário de eletricidade, na otimização dos sistemas de iluminação e sistema AVAC, na qualidade de ener-gia e ainda no estudo de uma possível instalação de um sistema fotovoltaico na escola.

No estudo tarifário é feito o levantamento dos valores faturados mensalmente no ano 2016, de forma a obter os custos associados aos consumos de energia elétrica e feito um estudo compara-tivo com outros possíveis tarifários fornecidos por várias empresas concorrentes de forma a obter a opção mais vantajosa.

De forma a analisar as condições de iluminação atuais da escola, é feita uma avaliação no local dos equipamentos de iluminação instalados atualmente e respetivos valores luminotécnicos através de um luxímetro e ainda um estudo através do Dialux, de forma a desenvolver medidas possíveis de serem implementadas, tendo em vista reduzir o consumo de energia elétrica sem que para isso ocorra uma perda de qualidade de serviço.

Através de um analisador de rede foi possível analisar a qualidade de energia e obter possíveis medidas, de modo a melhorar esta mesma qualidade de energia.

Procedeu-se ainda ao levantamento de todos os sistemas AVAC e as suas condições atuais de fun-cionamento.

Por último foi estudada uma possível implementação de um sistema fotovoltaico de modo a aliviar a necessidade de energia elétrica consumida a partir da rede elétrica.

Palavras-chave: Eficiência Energética, Edifício Escola, Tarifário, Iluminação, AVAC, Quali-dade de energia, Sistema fotovoltaico.

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Abstract

Nowadays it is of great importance an efficient management of all the resources indispensa-ble for the daily life of society. In this context, particular attention must be paid to how Energy resources are used, in order to reduce the energy footprint of society, being To implement energy efficiency policies.

Throughout this dissertation, possible measures of being applied in a building are studied, in order to optimize the energy efficiency of this same educational establishment. The school under study is Águas Santas Secondary School and the focus of the study is the optimization of electricity tariffs, the optimization of lighting systems and HVAC system, the quality of energy and also the study of a possible installation of a photovoltaic system in school.

In the tariff study, the amounts billed monthly in 2016 are collected in order to obtain the costs associated with the consumption of electricity and a comparative study with other possible tariffs provided by several competing companies in order to obtain the most advantageous. In order to analyze the current lighting conditions of the school, there is an on-site evaluation of the currently installed lighting equipment and its luminometric values through a lux meter and a study through Dialux in order to develop possible measures to be implemented, In order to reduce the consump-tion of electric energy without losing quality of service.

Through a network analyzer it was possible to analyze the quality of energy and obtain possible measures, in order to improve this same quality of energy.

All HVAC systems and their current operating conditions were surveyed. Finally, a possible im-plementation of a photovoltaic system was studied in order to alleviate the need for electricity consumed from the grid.

Keywords: Energy Efficiency, School Building, Tariff, Lighting, HVAC, Power Quality, Pho-tovoltaic System.

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Agradecimentos

Ao meu orientador, Professor Dr. António Carlos Sepúlveda Machado e Moura por toda a simpatia e disponibilidade demonstrada quer durante a orientação deste trabalho como ao longo de todo o curso e por todos os ensinamentos transmitidos e apoio prestado.

Ao meu co-orientador Engenheiro Fernando Ferreira Ramos pela oportunidade de realizar a dis-sertação num ambiente empresarial no qual consegui adquirir muitos conhecimentos e por todo o apoio prestado para a realização da dissertação.

Ao Engenheiro Tiago Daniel Moreno Fernandes por todo o apoio prestado e a grande disponi-bilidade demonstrada, fundamental para ultrapassar os desafios que foram surgindo ao longo do trabalho.

Ao Engenheiro Nuno Pereira pela ajuda e apoio prestado durante a realização da dissertação. Ao técnico encarregue da manutenção da Escola Secundária de Águas Santas, Joaquim Sousa e à Direção da Escola pela disponibilidade demonstrada ao longo da realização deste trabalho. A todos os colaboradores da Manvia que dividiram parte do seu dia-a-dia comigo, ao longo da realização deste trabalho e me receberam de forma profissional e muito simpática.

À minha família, em particular, aos meus pais e irmão por toda a ajuda, apoio e amizade ao longo de todos estes anos.

Aos meus amigos por toda a ajuda e bons momentos passados.

Rui Jorge Gonçalves Oliveira

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“Somos aquilo que fazemos de forma repetida. Por isso, a excelência não é um ato, mas um hábito”

Aristóteles

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Conteúdo

1 Introdução 1

1.1 Objetivos . . . 1

1.2 Estrutura da Dissertação . . . 2

1.3 Manvia . . . 2

2 Eficiência Energética e Qualidade de Energia 5 2.1 Contexto energético Mundial . . . 5

2.2 Contexto energético Português . . . 5

2.3 Desafio energético e desenvolvimento sustentável . . . 7

2.4 Qualidade da energia elétrica . . . 7

2.4.1 Desequilíbrio de Tensões . . . 8 2.4.2 Cavas de Tensão . . . 8 2.4.3 Flutuações de tensão . . . 9 2.4.4 Sobretensões . . . 9 2.4.5 Distorção Harmónica . . . 10 3 Tarifários 11 3.1 Tarifas de venda a cliente Finais em MT . . . 12

4 Iluminação 15 4.1 Grandezas luminotécnicas e principais características das lâmpadas . . . 15

4.1.1 Intensidade Luminosa . . . 15

4.1.2 Fluxo Luminoso(f) . . . 16

4.1.3 Iluminância e Iluminância Média . . . 16

4.1.4 Luminância . . . 17

4.1.5 Temperatura de Cor . . . 17

4.1.6 Índice de Restituição de Cores ou Índice de Reprodução Cromática . . . 17

4.1.7 Duração de Vida Média . . . 17

4.1.8 Classe de Eficácia Energética . . . 18

4.2 Tipos de Lâmpadas . . . 18

4.2.1 Lâmpada de Incandescência . . . 18

4.2.2 Lâmpada de Halogéneo . . . 18

4.2.3 Lâmpada de Luz Mista . . . 19

4.2.4 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Alta Pressão . . . 19

4.2.5 Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão . . . 20

4.2.6 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Iodetos . . . 21

4.2.7 Lâmpadas Fluorescentes . . . 22

4.2.8 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão . . . 23

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4.2.9 Lâmpada de Indução . . . 24

4.2.10 LEDS (Light Emitting Diodes) . . . 25

4.3 Luminárias . . . 25

4.4 Balastros . . . 26

4.5 Sistemas de gestão de iluminação . . . 26

4.5.1 Gestão por Sistema Horário . . . 26

4.5.2 Gestão por Deteção Automática . . . 27

5 AVAC 29 5.1 Classificação de sistemas de AVAC . . . 29

5.2 Equipamentos das Instalações de AVAC . . . 30

5.2.1 Compressor . . . 30 5.2.2 Bomba . . . 31 5.2.3 Ventilador . . . 31 5.2.4 Condensador . . . 32 5.2.5 Evaporador . . . 32 5.2.6 UPAR . . . 33 5.2.7 Bomba de Calor . . . 34 5.2.8 Unidade de Tratamento de Ar . . . 34 5.2.9 Caldeira . . . 35 5.2.10 Permutador de calor . . . 35 5.2.11 Válvulas . . . 36

5.2.12 Equipamento de controlo e de gestão . . . 36

6 Sistema Fotovoltaico 39 6.1 Energia fotovoltaica no Mundo e em Portugal . . . 39

6.2 Painel Fotovoltaico . . . 39 6.3 Inversor . . . 40 6.4 Baterias . . . 41 6.5 Controlador de Carga . . . 41 6.6 Dispositivos de Proteção . . . 41 6.7 Condutores elétricos . . . 41 7 Caso de Estudo 43 7.1 Escola . . . 43 7.2 Caraterização do Edificio . . . 43 7.2.1 Bloco A1 . . . 43 7.2.2 Bloco A2 . . . 45 7.2.3 Bloco A3 . . . 47 7.2.4 Bloco A4 . . . 48 7.2.5 Bloco A5 . . . 49 7.3 Análise Tarifária . . . 52 7.4 Sistemas de Iluminação . . . 61 7.4.1 Iluminação no edifício . . . 61

7.4.2 Condições para avaliação da qualidade da iluminação atual . . . 61

7.4.3 Corredores de Circulação . . . 63

7.4.4 Sala de Aulas . . . 65

7.4.5 Sala de Aulas para grupos pequenos . . . 65

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CONTEÚDO xi 7.4.7 Oficina de Eletrotécnica . . . 67 7.4.8 Gabinetes . . . 68 7.4.9 Arrumos . . . 68 7.4.10 Instalações Técnicas . . . 69 7.4.11 Laboratório . . . 71

7.4.12 Sala de Preparação Laboratorial . . . 72

7.4.13 Secretaria . . . 73 7.4.14 Instalações Sanitárias . . . 74 7.4.15 Postos de trabalho . . . 76 7.4.16 Balneários e Vestiários . . . 76 7.4.17 Sala de Ginástica . . . 78 7.4.18 Refeitório . . . 79 7.4.19 Biblioteca . . . 80 7.4.20 Análise Económica . . . 81

7.4.21 Instalação de Lâmpadas LED . . . 85

7.4.22 Implementação de sistemas de gestão por deteção automática . . . 86

7.5 AVAC . . . 89 7.5.1 Ventiladores . . . 89 7.5.2 UPAR . . . 89 7.5.3 Caldeiras . . . 90 7.5.4 Roof-Tops . . . 90 7.5.5 VRV . . . 91 7.5.6 UTAN . . . 91 7.5.7 SPLIT . . . 92 7.6 Qualidade de energia . . . 92

7.6.1 Tensão nas Fases . . . 93

7.6.2 Frequência . . . 94

7.6.3 Equilíbrio da Corrente nas 3 Fases . . . 94

7.6.4 Fator de Potência . . . 95

7.6.5 Poluição Harmónica . . . 96

7.7 Sistema Fotovoltaico . . . 102

7.7.1 Caraterização do recurso solar e estudo da orientação e inclinação . . . . 102

7.7.2 Área da instalação . . . 103

7.7.3 Painel Solar . . . 104

7.7.4 Inversor . . . 104

7.7.5 Tensões nos painéis . . . 104

7.7.6 Sombreamento . . . 105

7.7.7 Determinação de limites de painéis por string . . . 106

7.7.8 Configuração de painéis . . . 106

7.7.9 Dimensionamento parte DC . . . 108

7.7.10 Sistemas de proteção . . . 110

7.7.11 Dimensionamento parte AC . . . 112

7.7.12 Análise Económica . . . 117

(14)

8 Conclusão 121 8.1 Tarifários . . . 121 8.2 Iluminação . . . 121 8.3 AVAC . . . 122 8.4 Qualidade da Energia . . . 122 8.5 Sistema Fotovoltaico . . . 122

8.6 Satisfação dos Objetivos . . . 123

8.7 Trabalho Futuro . . . 123 A Anexos 125 A.1 Tarifários . . . 125 B Anexos 137 B.1 Sistemas de Iluminação . . . 137 C Anexos 143 C.1 Qualidade da Energia . . . 143 D Anexos 153 D.1 Sistema Fotovoltaico . . . 153 Referências 159

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Lista de Figuras

2.1 Peso da eletricidade de origem renovável[1] . . . 6

2.2 Produção de eletricidade por fonte em 2016[2] . . . 6

3.1 Período horário para ciclo semanal . . . 13

3.2 Período horário para ciclo semanal opcional . . . 13

3.3 Período horário para ciclo diário . . . 14

4.1 Diagrama Fotométrico . . . 16

4.2 Temperatura de Cor . . . 17

4.3 Lâmpada de Incandescência [3] . . . 18

4.4 Lâmpada de Halogéneo [3] . . . 19

4.5 Lâmpada de Luz Mista [3] . . . 19

4.6 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Alta Pressão [4] . . . 20

4.7 Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão [3] . . . 21

4.8 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Iodetos [3] . . . 21

4.9 Lâmpada Fluorescentes [5] . . . 22

4.10 Lâmpada Fluorescentes Compactas [3] . . . 23

4.11 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão [3] . . . 24

4.12 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão [6] . . . 24

4.13 LEDS [3] . . . 25

5.1 Compressor . . . 31

5.2 Bomba . . . 31

5.3 Ventilador . . . 32

5.4 Condensador arrefecido a ar . . . 32

5.5 Condensador arrefecido a água . . . 32

5.6 Condensador evaporativo . . . 32 5.7 Evaporador . . . 33 5.8 UPAR . . . 33 5.9 Bomba de calor . . . 34 5.10 Unidade de Tratamento de Ar . . . 35 5.11 Caldeira . . . 35 5.12 Permutador de calor . . . 36 5.13 Válvulas . . . 37

7.1 Valores consumidos em kWh na instalação . . . 53

7.2 Mapa de Quantidades . . . 62

7.3 Corredor Tipo 1 . . . 63

(16)

7.6 Sala de aulas . . . 65

7.7 Sala de aulas de grupos pequenos . . . 66

7.8 Sala de TIC . . . 67

7.9 Oficina de Eletrotécnica . . . 67

7.10 Gabinete . . . 68

7.11 Arrumos . . . 69

7.12 Instalações Técnicas Tipo 1 . . . 69

7.15 Laboratório . . . 72

7.16 Sala de Preparação Laboratorial . . . 73

7.17 Secretaria . . . 74

7.18 Instalações Sanitárias Masculinas e Femininas . . . 75

7.19 Instalações Sanitárias para deficientes . . . 75

7.20 Postos de trabalho . . . 76

7.21 Balneário Masculino e Feminino . . . 77

7.22 Balneário Deficientes . . . 77

7.23 Vestiário de pessoal docente . . . 78

7.24 Sala de Ginástica . . . 79

7.25 Refeitório . . . 80

7.26 Biblioteca . . . 81

7.27 Custos Anuais atuais em cada Bloco e Custo Anual Total . . . 84

7.28 Novos Custos Anuais em cada Bloco e Custo Anual Total . . . 84

7.29 Poupança obtida em cada Bloco anualmente e Poupança Total anual . . . 85

7.30 Esquema dos Ventiladores visualizado no GTC . . . 89

7.31 Esquema do chiller visualizado no GTC . . . 90

7.32 Esquema da caldeira visualizado no GTC . . . 90

7.33 Esquema do Roof-Top visualizado no GTC . . . 91

7.34 Esquema dos VRVs visualizado no GTC . . . 91

7.35 Esquema da UTAN visualizado no GTC . . . 92

7.36 Esquema das SPLITs visualizado no GTC . . . 92

7.37 Esquema de Montagem do analisador de rede[7] . . . 93

7.38 Tensões no QGBT . . . 94

7.39 Tensões no QP AVAC . . . 94

7.40 Frequência no QGBT . . . 94

7.41 Frequência no QP AVAC . . . 94

7.42 Corrente nas 3 Fases QGBT . . . 95

7.43 Corrente nas 3 Fases QP AVAC . . . 95

7.44 Corrente no neutro QGBT . . . 95

7.45 Corrente no neutro QP AVAC . . . 95

7.46 Fator de Potência . . . 96

7.47 tan ϕ . . . 96

7.48 TDH QGBT . . . 97

7.49 TDH QP AVAC . . . 97

7.50 Limites de Distorção de Tensão[8] . . . 97

7.51 Harmónicos de Tensão de ordem 3, 5 e 7 no QGBT . . . 98

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LISTA DE FIGURAS xv

7.54 Harmónicos de Tensão de ordem 3, 5 e 7 no QP AVAC . . . 98

7.56 Harmónicos de Tensão de ordem 3, 5 e 7 no QP AVAC . . . 98

7.57 THDI no QGBT . . . 100

7.58 THDI no QP AVAC . . . 100

7.59 Harmónicos de Corrente de ordem 3, 5 e 7 no QGBT . . . 100

7.60 Harmónicos de Corrente de ordem 3, 5 e 7 no QP AVAC . . . 100

7.65 Irradiação e Ângulo ótimo ao longo de um ano . . . 103

7.66 Esquema das grandezas relevantes para o cálculo da distância entre painéis insta-lados com inclinação[9] . . . 105

7.67 Esboço da configuração do sistema fotovoltaico proposto para instalação no te-lhado do bloco A5 da Escola Secundária de Águas Santas . . . 107

7.68 Dimensionamento dos inversores no Software Sunny-Design . . . 108

7.69 Especificações dos cabos H1Z2Z2-K[10] . . . 109

7.70 Dimensionamento dos cabos DC no software SUNNY-DESIGN . . . 110

7.71 Estatísticas de consumos na escola com sistema de autoconsumo . . . 118

7.72 Cash-flows durante a vida útil do sistema fotovoltaico em regime UPAC . . . 118

7.73 Energia utilizada para autoconsumo anualmente . . . 119

7.74 Cash-flows durante a vida útil do sistema fotovoltaico em regime UPP . . . 120

A.1 Proposta de venda de energia Elusa . . . 125

A.2 Proposta de venda de energia Lógica Energy . . . 126

A.3 Proposta de venda de energia Ecochoice . . . 127

A.4 Proposta de venda de energia Elygas . . . 127

A.5 Proposta de venda de energia Endesa . . . 128

A.6 Proposta de venda de energia JafPlus . . . 129

A.7 Proposta de venda de energia Luzboa . . . 130

A.8 Cálculo da tarifa EDP atual . . . 131

A.9 Cálculo da tarifa EDP atual . . . 131

A.10 Cálculo das tarifas EDP curta utilização, média utilização e longa utilização . . . 131

A.11 Cálculo da tarifa Gás Natural Fenosa . . . 132

A.12 Cálculo da tarifa Comercial JafPlus . . . 132

A.13 Cálculo da tarifa LuzBoa . . . 133

A.14 Cálculo da tarifa Elygas . . . 134

A.15 Cálculo da tarifa Lógica Energy . . . 135

A.16 Cálculo da tarifa Endesa . . . 135

A.17 Cálculo da tarifa Eco Choice . . . 136

A.18 Cálculo da tarifa Elusa . . . 136

B.1 Níveis de Referência de Iluminação . . . 137

B.4 Certificado de calibração do luxímetro . . . 140

(18)

B.6 Certificado de calibração do luxímetro . . . 142

C.1 Certificado de calibração do Analisador de Rede . . . 143

D.1 Folha de características dos painéis fotovoltaicos MPRIME G Séries GENIUS 4BB153 D.2 Folha de características dos painéis fotovoltaicos MPRIME G Séries GENIUS 4BB154 D.3 Folha de características do inversor SUNNY Tripower 25000TL . . . 155

D.4 Configuração final do sistema fotovoltaico . . . 156

(19)

Lista de Tabelas

4.1 Índice de Reprodução Cromático . . . 17

7.1 Bloco A1 piso 0 . . . 44 7.2 Bloco A1 piso 1 . . . 44 7.3 Bloco A1 piso 2 . . . 45 7.4 Bloco A2 piso 0 . . . 45 7.5 Bloco A2 piso 1 . . . 46 7.6 Bloco A2 piso 2 . . . 46 7.7 Bloco A3 piso 0 . . . 47 7.8 Bloco A3 piso 1 . . . 47 7.9 Bloco A3 piso -1 . . . 48 7.10 Bloco A4 piso 0 . . . 48 7.11 Bloco A5 piso 0 . . . 49 7.12 Bloco A5 piso 0 . . . 50 7.13 Bloco A5 piso -1 . . . 51 7.14 Bloco A5 piso 1 . . . 51 7.15 Bloco A5 piso 2 . . . 52

7.16 Valores consumidos na instalação . . . 53

7.17 Tarifário atual da EDP . . . 54

7.18 Valores unitários da empresa Gás Natural Fenosa . . . 55

7.19 Tarifário Gás Natural Fenosa . . . 55

7.20 Valores unitários da empresa JafPlus . . . 55

7.21 Tarifário JafPlus Energia . . . 56

7.22 Valores unitários da empresa LUZBOA . . . 56

7.23 Tarifário LUZBOA . . . 57

7.24 Valores unitários da empresa ELYGAS . . . 57

7.25 Tarifário ELYGAS . . . 57

7.26 Valores unitários da empresa Lógica Energy . . . 58

7.27 Tarifário Lógica Energy . . . 58

7.28 Valores unitários da empresa Endesa . . . 58

7.29 Tarifário Endesa . . . 59

7.30 Valores unitários da empresa ECOCHOICE . . . 59

7.31 Tarifário ECOCHOICE . . . 59

7.32 Valores unitários da empresa Elusa . . . 60

7.33 Tarifário Elusa . . . 60

7.34 Valores de custo anual das várias empresa e respetiva comparação . . . 60

7.35 Consumos anuais e custos anuais dos principais espaços antes da implementação de medidas . . . 83

(20)

7.36 Tempo de Retorno dos principais espaços onde é possível implementar medidas

de redução da potência das lâmpadas . . . 83

7.37 Análise Económica da implementação de LEDS nos espaços atualmente ilumina-dos com lâmpadas fluorescentes de 49W . . . 86

7.38 Análise Económica da implementação de LEDS nos espaços atualmente ilumina-dos com lâmpadas fluorescentes de 35W . . . 86

7.39 Análise Económica da implementação de sensores CIRCUMAT PRO CR nos cor-redores do bloco B5 com janelas sem troca das lâmpadas fluorescentes de 35W . 87 7.40 Análise Económica da implementação de sensores CIRCUMAT PRO CR nos cor-redores do bloco B5 com janelas com troca das lâmpadas fluorescentes de 35W por 28W . . . 87

7.41 Limite da Distorção de Corrente . . . 99

7.42 Caraterísticas do Painel . . . 104

7.43 PVC Cobre . . . 113

7.44 PVC Alumínio . . . 113

7.45 XLPE Cobre . . . 114

7.46 XLPE Alumínio . . . 114

7.47 Resistências de fase e de neutro para as temperaturas de 20 C e de 250 C . . . 114

(21)

Abreviaturas e Símbolos

AC Alternating Current

AD Armário de Distribuição AT Alta tensão

AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado BT Baixa tensão

CA Corrente Alternada CAD Computador aided design CC Corrente Curto-circuito

cd Candela

CGIS Disseleneto de cobre, gálio e índio CIS Disseleneto de cobre e índio DC Direct Current

EDP Energias de Portugal

ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos ET Educação tecnológica

EV Educação visual

EVT Educação visual e tecnológica GTC Gestão Técnica Centralizada

HCAC Heating, Ventilating and Air Conditioning IRC Índice de restituição de cor

I.S. Instalações Sanitárias

IVA Imposto sobre valor acrescentado

K Kelvin

LED Light emitting diode MAT Muito alta tensão

MPPT Maximum Power Point Tracker MT Media tensão

OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico PC Personal Computer

PCE Pré-certificado energético PIB Produto interno bruto

PNAEE Plano nacional de acção para eficiência energética PVC Policloreto de vinila

QE Quadro Elétrico

QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão RNT Rede Nacional de Transporte

RTIEBT Regras Técnicas de Instalações Elétricas de Baixa Tensão

RSRDEEBT Regulamento de Segurança de Redes de Distribuição Elétrica em Baixa Tensão THD Total Harmonic Distortion

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THDI Total Harmonic Distortion (current) TIC Tecnologias da Informação e Comunicação UE União Europeia

UPAC Unidade de Produção para Autoconsumo UPAR Unidade Produtora de Água Refrigerada UPP Unidade Pequena Produção

UTA Unidade de Tratamento de Ar UTAN Unidade de Tratamento de Ar Novo UV Radiação ultravioleta

VAC Volume de ar constante VAV Volume de ar variável

VRV volume de refrigerante variável XLPE Cross Linked Polyethylene

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Capítulo 1

Introdução

Durante vários milénios, a população mundial manteve-se num crescimento pouco significa-tivo, sendo que demorou milhares de anos até ser atingido o valor de mil milhões de pessoas, valor este atingido por volta de 1802. Desde essa altura foram necessários cerca de 160 anos para se triplicar esse valor, sendo que atualmente já foi ultrapassado o valor de sete mil milhões de pessoas o que indica um crescimento exponencial da população.[11]

Este crescimento, associado às melhorias das condições de vida e à evolução tecnológica provo-cou uma maior utilização de todos os recursos indispensáveis para o dia-a-dia do quotidiano, entre os quais, se encontram os indispensáveis recursos energéticos, levando a que na nossa sociedade atual, seja de importância prioritária uma boa gestão dos recursos energéticos.

Como forma de implementar melhorias na eficiência energética e fomentar uma atitude protetora do meio ambiente, a União Europeia implementou uma série de medidas com o objetivo de que seja possível reduzir até 2020, o consumo médio anual de energia em 20%, aumentar os recursos de energias renováveis em 20%, incorporar 20% dos biocombustíveis nos carburantes e reduzir os gases de efeito de estufa em 20%.[12][13]

1.1 Objetivos

A presente dissertação tem como objetivo estudar possíveis medidas de eficiência energética na Escola Secundária de Águas Santas, as quais permitam uma gestão mais eficiente do espaço, reduzindo os custos de utilização, sem que para isso ocorram perdas na qualidade de serviço. As medidas propostas para melhorar a eficiência da escola, são ainda analisadas economicamente de forma a avaliar se a melhoria da eficiência energética, traduzida na diminuição da fatura energética, justifica os custos de investimento necessários para implementar as medidas propostas. Este estudo foi dividido em vários objetivos, os quais são enumerados em seguida:

• Análise do tarifário de eletricidade atual da escola, e posterior comparação com propostas de diferentes comercializadores de energia, de forma a determinar qual o fornecedor mais económico;

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• Levantamento do sistema de iluminação presentemente instalado na escola e estudo do mesmo através do recurso ao software Dialux e a medições feitas nos diferentes espaços através de um luxímetro, de forma a garantir que a iluminância média e uniformidade se encontram próximos dos valores recomendados;

• Sempre que os valores recomendados de iluminância média dos diferentes espaços não são respeitados é feito um estudo de forma a garantir a máxima eficiência da iluminação dos espaços;

• Estudo da qualidade de energia da escola, através de medições com o analisador de rede no QGBT e principal quadro elétrico de AVAC e respetiva análise dos valores registados; • Levantamento dos sistemas AVAC instalados nos vários edifícios da escola e respetiva

aná-lise de forma a verificar a eficiência dos mesmos;

• Elaboração de um projeto fotovoltaico a ser instalado na escola, de forma a diminuir a fatura energética através de uma maior independência energética por parte da escola.

1.2 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação é composta por um total de 8 capítulos. No capítulo 1 é feita uma breve intro-dução de forma a contextualizar todo o trabalho desenvolvido, bem como apresentar os objetivos da dissertação. Ao longo dos capítulos 2 a 6, são abordados vários assuntos e matérias de forma a ser possível uma melhor compreensão do estudo realizado. No capitulo 2 é feita uma breve des-crição do panorama energético mundial e nacional bem referida a necessidade de uma utilização sustentável dos recursos energéticos. São ainda descritas as principais situações causadoras de perturbações na rede, fundamentais para o estudo da qualidade de energia. O capítulo 3 aborda o sistema tarifário nacional e vários conceitos, de forma a analisar os tarifários de eletricidade. O capítulo 4 aborda vários temas fundamentais para elaborar um estudo luminotécnico, tais como as principais grandezas luminotécnicas, diferentes tecnologias de lâmpadas e gestão da iluminação. No capítulo 5 são analisadas diferentes tecnologias de Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado. O capítulo 6 aborda sistemas fotovoltaicos e os seus principais constituintes. O capitulo 7 é reservado ao caso de estudo, onde são caraterizadas as várias instalações da escola e analisados os resultados obtidos no estudo. No capítulo 8 são demonstradas as conclusões finais do trabalho realizado e ainda apresentadas possíveis perspetivas de trabalho futuro.

1.3 Manvia

A Manvia iniciou a sua atividade em 1998 com o principal foco de desenvolver o negócio de manutenção em Portugal, sendo que em 2000 esta foi integrada no Grupo Mota-Engil o que permitiu um rápido desenvolvimento. Avançando para o ano de 2005, passou a ser uma sociedade anónima a trabalhar nas áreas de prestação de serviços de manutenção em edifícios, ambiente,

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1.3 Manvia 3

energia e indústria. Atualmente, podemos afirmar que a Manvia é uma empresa de referência em Portugal e no estrangeiro como empresa prestadora de serviços técnicos e de manutenção, con-tando com cerca de 700 colaboradores e prescon-tando serviços em cerca de 14 países diferentes.[14] As principais áreas de atuação são:

• Gestão, sendo que os serviços de gestão da Manvia complementam várias atividades da manutenção tais como auditorias de manutenção e gestão de stocks de armazéns;

• Edifícios, área em que a Manvia tem grande experiência de prestação de serviços especiali-zados de acordo com as necessidades especificas de cada cliente;

• Indústria, área em que tem aumentado a procura por serviços de manutenção;

• Saúde, área em que a Manvia entrou há menos tempo, sendo que atualmente já encontra cerca de três grandes unidades de saúde no seu portefólio;

• Eficiência Energética, área responsável pela otimização das fontes energéticas;

• Ambiente, área na qual a Manvia atualmente se encontra encarregue não só da manutenção mas também da exploração e operação de Estações de Tratamento de Águas, Estação de Tratamento de Águas Residuais e Estações Elevatórias;

• Energia, área na qual a Manvia se encontra encarregue da manutenção e operação de centrais de cogeração;

• Condutas, área na qual a Manvia tem mais de 10 anos de experiência em reabilitação de infra-estruturas enterradas sendo ainda líder em Portugal na execução de trabalhos sem aber-tura de valas.

De referir ainda que as escolas requalificadas e modernizadas pelo Parque Escolar, na qual se insere a Escola Secundária de Águas Santas se encontram dentro do portfólio da Manvia.[14]

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Capítulo 2

Eficiência Energética e Qualidade de

Energia

2.1 Contexto energético Mundial

O crescimento demográfico e económico são os principais fatores para o aumento do consumo energético que se tem verificado a nível mundial. É estimado que em 2040, a população mundial seja de cerca de 9 biliões, sendo este crescimento fortemente impulsionado por países não per-tencentes à OCDE, os quais, se espera que tenham um peso de 90% para este crescimento. Esta situação, leva a que o consumo energético de países não pertencentes à OCDE, continue a crescer a um ritmo mais elevado do que nos países pertencentes à OCDE.[15]

Assim, este contexto, leva a que seja de importância prioritária o aumento da eficiência energética a nível mundial, de todos os principais setores consumidores de energia e ainda a procura por fon-tes de energia alternativa, de forma a que o crescimento populacional e económico não provoque um aumento tão elevado do consumo energético. É de realçar a importância do investimento em fontes de energia renováveis, as quais amenizam os problemas ambientais causados pelos com-bustíveis fósseis devido à redução da utilização destes.

Atualmente, em países da OCDE já ocorre uma dissociação do PIB com o consumo de energia, o que demonstra um aumento da eficiência energética nestes países.[16]

2.2 Contexto energético Português

Analisando a situação energética portuguesa, é possível constatar que Portugal tem recursos energéticos de origem fóssil muito limitados. Uma vez que este tipo de combustível continua a ser o que assegura a maior parte das necessidades energéticas da grande maioria dos países a ní-vel mundial, esta situação obriga a que seja necessária a importação deste tipo de recursos por Portugal, de forma a garantir as necessidades energéticas nacionais. De modo a reduzir esta de-pendência, Portugal tem feito um grande investimento no aumento do seu mix energético, através do investimento em energias renováveis, como é possível verificar através da análise da figura2.1,

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onde é possível constatar que ocorreu um aumento de cerca de 25 pontos percentuais entre 1999 e 2014, na percentagem de energia elétrica consumida em Portugal e produzida por fontes renová-veis. Espera-se que até 2020, cerca de 60% do consumo de energia elétrica seja produzido através de fontes renováveis.[1]

Figura 2.1: Peso da eletricidade de origem renovável[1]

Através da análise da figura seguinte podemos verificar que no ano de 2016, 58% da energia elétrica consumida nacionalmente foi produzida através de fontes renováveis, sendo que a energia hídrica e a energia eólica são as principais fontes de energia dentro das renováveis.

Figura 2.2: Produção de eletricidade por fonte em 2016[2]

Apesar do investimento em energia renovável, Portugal continua a estar altamente dependente de exportações de combustíveis fosséis.

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2.3 Desafio energético e desenvolvimento sustentável 7

2.3 Desafio energético e desenvolvimento sustentável

Devido ao aumento das necessidades de utilização de recursos energéticos, à natureza finita dos combustíveis fósseis e ao constante agravamento do impacto no meio ambiente, provocado pela utilização destes mesmos recursos, a comunidade mundial foi sensibilizada para a necessi-dade de políticas sustentáveis, de forma a que seja possível manter a qualinecessi-dade de vida da socie-dade atual sem comprometer a capacisocie-dade do planeta de se autorregenerar.

Desta forma, um desenvolvimento sustentável assenta nas premissas de utilização de recursos na-turais de forma eficiente e reutilização dos recursos nana-turais de forma a maximizar os mesmos e reduzir a quantidade de resíduos expelidos para o ambiente, evitando assim o esgotamento destes mesmos recursos em gerações futuras e tornando possível que a geração atual mantenha o seu desenvolvimento económico.

Este tipo de políticas vem de encontro ao estudo feito nesta dissertação, uma vez que os edifícios públicos, como é o caso da Escola Secundária de Águas Santas, representam um dos principais setores consumidores de energia elétrica, sendo que é fundamental tornar os mesmos, o mais efi-cientes possível do ponto de vista energético.

Um exemplo de política que se encontra dentro deste pensamento é o programa de modernização do Parque Escolar, programa este que foi criado em 2007, de forma a requalificar e modernizar os edifícios das Escolas Secundárias, tendo em vista melhorar as condições de ensino das escolas e simultaneamente otimizar a eficiência das mesmas, garantindo ainda a manutenção dos estabele-cimentos de ensino de primeira importância para que conservem a sua elevada eficiência.[17]

2.4 Qualidade da energia elétrica

O conceito de qualidade, no âmbito de energia elétrica, está associado à capacidade de ga-rantir a qualidade e continuidade do serviço.[18] A qualidade de serviço atinge-se através de um controlo da forma e amplitude da onda de tensão, da frequência e simetria do sistema de tensões trifásico, enquanto que a continuidade atinge-se através da minimização da quantidade e duração das interrupções do fornecimento de energia elétrica.

Numa situação ideal de fornecimento de energia elétrica, o sistema trifásico de tensões seria for-mado por três tensões sinusoidais, com amplitude constante, frequência de 50Hz e desfasadas 120o entre si.

Como na prática, não é possível garantir a permanência constante destes parâmetros uma vez que ocorrem perturbações na rede por várias situações, foi criada a norma NP EN 50160:2001[8], a qual define um conjunto de parâmetros necessários de controlar e respetivas margens de funciona-mento.

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2.4.1 Desequilíbrio de Tensões

Um sistema trifásico desequilibrado é caracterizado por apresentar amplitudes diferentes ou desfasamentos assimétricos. Esta situação, geralmente é causada pela distribuição assimétrica de cargas pelas 3 fases. A forma mais correta de concluir a dimensão do desequilíbrio do sistema trifásico de tensões, é decompor o sistema nas suas componentes simétricas, sendo elas, as com-ponentes direta, inversa e homopolar, sendo que o desequilíbrio do sistema é determinado pela razão entre a componente inversa e direta.

Um desequilíbrio de tensões afeta o desempenho de equipamentos como motores de indução e transformadores, sendo que, nos motores de indução, o desequilíbrio de tensões induz dois cam-pos magnéticos girantes com sentido de rotação ocam-postos e amplitudes proporcionais às amplitudes das componentes direta e inversa. Esta situação resulta numa redução da componente direta e na criação de uma componente inversa, que provoca um binário oponente ao binário direto, causando a incapacidade do motor atingir o binário nominal. A criação dos dois campos girantes provoca ainda a criação de uma componente de binário variável, com a frequência na ordem dos 100 Hz, a qual aumenta os esforços mecânicos do rotor sobre os rolamentos e aumenta os níveis de vibração. É ainda de referir que, devido à rotação no sentido oposto ao do rotor, do campo magnético in-verso, provoca correntes induzidas no rotor com frequências na ordem dos 100Hz, que aumentam a dissipação térmica, podendo causar o sobreaquecimento do motor.

Nos transformadores, a componente inversa é transformada da mesma forma que a componente direta, sendo que os único transformadores onde ocorre um desfasamento diferente são os transfor-madores com ligação Y-4 ou 4-Y. Quanto à componente homopolar, se os enrolamentos tiverem ligados em triângulo, a circulação de correntes homopolares no triângulo provoca o sobreaque-cimento dos enrolamentos e devido a ocorrer circulação na estrutura do transformador de fluxo magnético homopolar, surgem perdas parasitas.

Estes desequilíbrio podem ser mitigados através de redistribuição de cargas pelas três fases, aumento da potência de curto-circuito ou através da utilização de transformadores com ligações especiais, como os transformadores de Scott e de Steinmetz.[19]

2.4.2 Cavas de Tensão

Uma cava de tensão é uma redução brusca do valor eficaz da tensão para um valor entre 90% e 1% da tensão nominal, sendo que, de acordo com a norma NP EN 50160, as cavas de tensão têm uma duração de cerca de 10 milissegundos a 1 minuto. As cavas de tensão estão geralmente associadas a defeitos na rede de transporte ou de distribuição, ou ainda, nas instalações do cliente e são causadas devido à ocorrencia de um aumento brusco de passagem de corrente na zona com defeito. Podem ainda ser causadas pela ligação de máquinas com potência muito elevada sendo que, nestas situações, a duração da cava de tensão será superior e a amplitude reduzida compara-tivamente com a primeira situação.

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2.4 Qualidade da energia elétrica 9

motores de indução, os quais sofrem redução do binário, os motores síncronos os quais podem so-frer também redução do binário, sendo que a consequente redução de velocidade pode significar a perda de sincronismo e levar à interrupção do funcionamento do motor. Tem consequências nefas-tas em sistemas eletrónicos, máquinas de controlo numérico, variadores de velocidade, contactores e sistemas de iluminação como lâmpadas de incandescência e algumas lâmpadas de descarga. Algumas das formas de mitigar as cavas de tensão, são o aumento da potência de curto-circuito de forma a reduzir a propagação da cava de tensão e a otimização do tempo de extinção do defeito, uma vez que, quanto maior a duração do defeito, maior também a duração da cava. Em instalações de clientes particularmente vulneráveis a cavas de tensão, podem ainda ser instalados transforma-dores ferro-ressonantes, equipamentos de alimentação ininterrupta e Dynamic Voltage Restorers, os quais são projetos especialmente para lidar com esta situação.[19]

2.4.3 Flutuações de tensão

As flutuações de tensão são geralmente variações rápidas e aleatórias da tensão nominal, sendo que, costumam variar entre 90% e 110% da tensão nominal. Estas flutuações, são o principal causador do efeito de flicker, o qual consiste em flutuações rápidas da luminosidade das fontes luminosas. Os focos principais de criação de flutuações de tensão são cargas com regimes de funcionamento instável e de grande potência, como fornos de arco, máquinas de soldar e equipa-mentos de raio-x. As duas estratégias utilizadas para reduzir a amplitude das flutuações de tensão, são o aumento da potência de curto-circuito do sistema que alimenta a máquina causadora da flutuação e a redução do fluxo de energia reativa.[19]

2.4.4 Sobretensões

As sobretensões, podem ser classificadas como de baixa frequência ou de alta frequência, sendo que, as de baixa frequência ocorrem à frequência do sistema e as de alta frequência ocor-rem a uma frequência superior à do sistema, e caracterizam-se por ser um aumento da tensão. As sobretensões podem ser mais ao menos severas, sendo que a maior parte das sobretensões que afetam o sistema não apresentam consequências expressivas. No entanto algumas sobretensões causadas por descargas atmosféricas, descargas eletrostáticas, certas manobras necessárias ao fun-cionamento do sistema de transporte e distribuição e defeitos de isolamento, podem ter grande severidade.

As principais consequências das sobretensões são a perturbação do funcionamento de circuitos de comando, destruição do isolamento de alguns componentes, aquecimento de certos componentes e possível perda total dos mesmos, avaria de inversores ou reguladores de tensão.

Uma das formas de mitigar os efeitos de sobretensões é a instalação de cabos de guarda, como forma de proteger os cabos de descargas atmosféricas diretas, sendo esta solução amplamente utilizada nas linhas de AT e MAT.[19]

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2.4.5 Distorção Harmónica

As distorções harmónicas são causadas por componentes que apresentam comportamento não-linear, os quais originam perturbações nas formas de onda e corrente. As consequências causadas pela distorção harmónica, dependem das características da rede onde se encontra o equipamento e das características do próprio equipamento, sendo que, os equipamentos eletrónicos são particular-mente sensíveis e os principais causadores da distorção harmónica. As principais consequências são a degradação do isolamento, diminuição do rendimento e eficácia dos sistemas de proteção, causados pelo aumento da temperatura dos componentes elétricos, devido ao aumento do valor eficaz da corrente e a perturbação de equipamentos eletrónicos, devido à deformação da onda de tensão. As principais formas de diminuir a distorção harmónica são o sobredimensionamento de equipamentos, separação das cargas perturbadoras das cargas mais sensíveis, utilização de trans-formadores com ligações especiais e utilização de filtros harmónicos.[19]

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Capítulo 3

Tarifários

O sistema tarifário tem o objetivo de garantir a transparência de toda a estrutura tarifária e de alocar de forma justa os proveitos permitidos às entidades reguladas, sendo constituído pelas seguintes atividades reguladas:

• Atividades de comercializador regulado;

• Atividades de concessionário da Rede Nacional de Transporte; • Atividades do operador da Rede de Distribuição;

O comercializador regulado tem como funções a compra e venda de Energia Elétrica, a compra e venda do acesso às redes de transporte e distribuição e atividade de comercialização. A atividade concessionária da RNT, tem a função como Agente Comercial de compra e venda de Energia Elétrica e função como Operador de Rede de transporte de gestão Global do Sistema e Transporte da Energia Elétrica. O operador da Rede de distribuição tem como funções a compra e venda do acesso à Rede de Transporte e distribuição de energia elétrica.[20]

Todas as tarifas por atividade, tarifas de acesso e tarifas de venda a clientes finais, são com-postas por algumas ou por todas estas variáveis:

• Tarifa de Energia: Esta tarifa proporciona proveitos da atividade de Compra e Venda de energia elétrica dos comercializadores regulados;

• Tarifa de Uso Global do Sistema: Esta tarifa proporciona proveitos da atividade de Uso Glo-bal do Sistema e da atividade de compra e venda de energia elétrica do Agente Comercial; • Tarifas de Uso da Rede de Transporte: Esta tarifa proporciona proveitos à rede de transporte

em MAT e/ou em AT;

• Tarifas de Uso da Rede de Distribuição: Esta tarifa proporciona proveitos à rede de distri-buição em AT, em MT e em BT;

• Tarifas de Comercialização de Redes: Esta tarifa permite recuperar os custos da Atividade de Comercialização de Redes;

• Tarifas de Comercialização: Permite recuperar os custos da atividade de comercialização.[20]

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3.1 Tarifas de venda a cliente Finais em MT

As tarifas de Venda a Clientes Finais de MT são compostas por vários componentes, sendo estes:

• Termo Tarifário Fixo, o qual corresponde a um preço de contratação, leitura, faturação e cobrança, definido em euros por mês.

• Preços de Potência Contratada, o qual corresponde à potência que o distribuidor coloca em termos contratuais à disposição do cliente, sendo que esta corresponde à máxima potência ativa média em kW, registada em qualquer intervalo ininterrupto de 15 minutos, durante os últimos 12 meses. O preço da potência contratada é definido em euros por kW por mês. • Potência em Horas de Ponta, o qual corresponde ao quociente entre a energia ativa fornecida

em horas de ponta e o número de horas de ponta no intervalo de tempo faturado. O preço da potência em horas de ponta é definido em euros por kW por mês.

• Energia Ativa, corresponde ao preço faturado pela energia ativa consumida, e é definida em euros por kWh.

• Energia Reativa, a qual é discriminada em preço de energia reativa fornecida e preço de energia reativa recebida, sendo que o primeiro é contabilizado sempre que em horas de vazio a energia reativa excede 40% da energia ativa neste período. O preço da energia reativa recebida (capacitiva) aplica-se a toda a energia reativa recebida nas horas de vazio. Os preços da energia reativa são definidos em euros por kvar*h.

Os preços da energia ativa podem ser divididos em 4 períodos horários, chamados ponta, cheia, vazio normal e super vazio, no caso das tarifas tetra-horárias e em 3 períodos horários, chamados ponta, cheia e vazio, no caso de tarifas tri-horárias.[21]

Estes preços podem ainda ser divididos em quatro períodos trimestrais. • Período I – de 1 de Janeiro a 31 de Março;

• Período II – de 1 de Abril a 30 de Junho; • Período III – de 1 de Julho a 30 de Setembro; • Período IV – de 1 de Outubro a 31 de Dezembro.

Os períodos horários de entrega de energia elétrica previstos no Regulamento Tarifário para clien-tes finais em MT, são divididos em Ciclo Diário, Ciclo Semanal e Ciclo Semanal Opcional. Nas tabelas seguintes são demonstrados para cada um dos diferentes ciclos a respetiva distribuição horária.[21]

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3.1 Tarifas de venda a cliente Finais em MT 13

Figura 3.1: Período horário para ciclo semanal

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Capítulo 4

Iluminação

A qualidade da Iluminação tem um papel decisivo, no que diz respeito ao desempenho das atividades do dia-a-dia, tanto em ambiente de trabalho como de próprio lazer, tendo influência na saúde e produtividade do próprio Homem. Deste modo, o estudo luminotécnico é indispensável para o sucesso de qualquer instalação, tendo como principais objetivos tornar a instalação eficiente do ponto de vista energético, rentabilizando ao máximo os esforços económicos e diminuindo ainda o impacto no meio ambiente, tendo em vista ainda garantir todas as normas necessárias para que os diferentes tipos de utilização da instalação sejam realizadas com a qualidade e intensidade de luz adequada.

4.1 Grandezas luminotécnicas e principais características das

lâm-padas

De modo a ser possível fazer uma análise comparativa dos vários tipos de lâmpadas, serão em seguida apresentados vários conceitos chave, relativamente às grandezas luminotécnicas e às principais características das lâmpadas.

4.1.1 Intensidade Luminosa

A intensidade luminosa é o fluxo luminoso irradiado na direção de um determinado ponto, sendo a sua unidade de medida SI a candela (cd). Como geralmente as fontes luminosas não são capazes de emitir luz de forma igual em todas as direções, é necessário conhecer a intensidade luminosa em cada direção. Como forma de representar a dispersão da luz no espaço envolvente da fonte luminosa são criados diagramas fotométricos ou diagramas polares, os quais são fornecidos pelo fabricante.[22]

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Figura 4.1: Diagrama Fotométrico

4.1.2 Fluxo Luminoso(f)

O fluxo luminoso é a quantidade de luz emitida em todas as direções por uma fonte luminosa. A sua unidade de medida SI é o lúmen (lm), que corresponde ao fluxo luminoso dentro de um cone de 1 esferorradiano, emitido por um ponto luminoso com intensidade de 1 candela. Este conceito, é utilizado para calcular a Eficiência luminosa de uma lâmpada, a qual é calculada através da divisão entre o fluxo luminoso emitido em lúmens e a potência consumida pela lâmpada em Watt. A unidade de medida é o lúmen por Watt (lm/W).[22]

4.1.3 Iluminância e Iluminância Média

A Iluminância é representada pela letra E. Tem como unidade no sistema SI o Lux(lx) que é o equivalente a um lúmen por metro quadrado. Ou seja, a iluminância é caracterizada pela rela-ção entre o fluxo luminoso que incide na direrela-ção perpendicular a uma superfície e a sua área. O valor da iluminância varia em função do ponto onde se faz a medição. Assim, é usual calcular a iluminância média para medir o nível de iluminância, calculando-se para isso o valor médio entre as várias medições realizadas. Os valores de iluminância média recomendados para os diferen-tes locais de trabalho interiores, encontram-se definidos na norma europeia EN-12464 “Light e Lighting-Lighting of Indoor Workplaces”), sendo que estes diferem de acordo com a atividade desempenhada em cada espaço.[22]

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4.1 Grandezas luminotécnicas e principais características das lâmpadas 17

4.1.4 Luminância

Luminância tem como unidade SI a candela por metro quadrado e caracteriza a intensidade luminosa emitida ou refletida por uma superfície iluminada em direção a um dado ponto. Como os objetos refletem a luz de forma diferente, pode-se obter diferentes luminâncias de uma mesma iluminância.[22]

4.1.5 Temperatura de Cor

A temperatura de cor representa a aparência da cor da luz emitida pela fonte luminosa, sendo a sua unidade de medida o Kelvin (K). Esta definição correlaciona a temperatura de um material hipotético conhecido como "corpo negro radiador", e o aumento da energia da luz emitida à medida que a temperatura do corpo negro é elevada. Quanto mais alta a temperatura de cor, mais clara é a tonalidade de cor da luz.[22]

Figura 4.2: Temperatura de Cor

4.1.6 Índice de Restituição de Cores ou Índice de Reprodução Cromática

Indice de Reprodução Cromática como o próprio nome indica, diz respeito à capacidade de uma fonte luminosa para reproduzir as cores dos objetos do modo mais fiel, em comparação com uma fonte de luz ideal ou de origem natural. Podemos ver como é distribuída a classificação na tabela7.48.

Tabela 4.1: Índice de Reprodução Cromático Indice de Reprodução Cromática Classificação

IRC<60 Pobre

60<IRC <80 Boa 80<IRC <90 Muito Boa

IRC >90 Excelente

4.1.7 Duração de Vida Média

A duração de vida de uma fonte luminosa normalmente é calculada através do seguintes indi-cadores:

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B50 - Índice de mortalidade, o qual indica o numero de horas após as quais 50% de um lote signi-ficativo de lâmpadas acesas deixa de emitir fluxo luminoso;

L70 - Representa o tempo, no qual o fluxo luminoso inicial das lâmpadas testadas foi reduzido em cerca de 30%, sendo normalmente definido em horas.[23]

4.1.8 Classe de Eficácia Energética

É uma forma de classificar as lâmpadas em sete classes distintas (A, B, C, D, E, F, G), com base na eficácia luminosa das mesmas, sendo a classe mais eficiente a classe A e a menos eficiente a classe G. Esta classificação é aplicada na UE, tendo por base uma Diretiva de Janeiro de 1998, a todas as lâmpadas de uso doméstico, com algumas exceções, como as lâmpadas de fluxo superior a 6500 lm ou potência inferior a 4W.[22]

4.2 Tipos de Lâmpadas

4.2.1 Lâmpada de Incandescência

É constituída por um filamento de tungsténio alojado no interior de um ampola de vidro, pre-enchida com gás inerte, por o suporte de vidro e casquilho. Quando ocorre passagem de corrente elétrica pelo filamento, os eletrões chocam com os átomos de tungsténio, liberando energia que se transforma em luz e calor. Estas lâmpadas são caraterizadas por ter um baixo rendimento, cerca de 10 lm/W, ter uma duração média de vida de cerca de 1000 horas o que é algo reduzida, ter um índice de restituição de cor muito bom, uma temperatura de cor de 2.700 K e um custo de aquisição baixo.[24]

Figura 4.3: Lâmpada de Incandescência [3]

4.2.2 Lâmpada de Halogéneo

O principio de funcionamento desta lâmpada é semelhante ao da lâmpada de incandescência, sendo que o gás que envolve o filamento contém Halogéneo, permitindo que o ciclo halogéneo

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4.2 Tipos de Lâmpadas 19

regenerativo atue. Estas lâmpadas têm um menor tamanho comparativamente às lâmpadas de in-candescência, sendo que o seu rendimento é de 25 lm/W. Tem muito boa restituição de cores, sendo por isso utilizadas em locais e atividades, em que a fiel reprodução de cores é considerada como essencial. Tem uma duração média de vida de 2000 a 4000 horas, a sua temperatura de cor é de 3.000 K. Como tem ciclo de funcionamento a alta temperatura, cerca de 2000oC, emi-tem valores mais elevados de radiação UV e radiação azul comparativamente a outros tipos de lâmpadas.[24]

Figura 4.4: Lâmpada de Halogéneo [3]

4.2.3 Lâmpada de Luz Mista

As lâmpadas de luz mista, reúnem vantagens das lâmpadas incandescentes, das lâmpadas flu-orescentes e do vapor de mercúrio, consistindo em um bulbo revestido na sua parede interna por fósforo e preenchido com gás, contendo um tubo de descarga ligado em série com um filamento de tungsténio. O filamento funciona como um reator para o arranque da lâmpada enquanto o tubo de descarga é utilizado para emitir o fluxo luminoso. O seu rendimento é de 26lm/W, tem uma restituição de cores média, uma duração média de vida de cerca de 2000 horas.[24]

Figura 4.5: Lâmpada de Luz Mista [3]

4.2.4 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Alta Pressão

As lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão emitem luz de aparência branca-azulada, têm um rendimento que varia entre 36 a 60 lm/W, um índice de restituição de cores que varia entre

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40 a 57lm/W, uma duração média de vida de cerca de 10 000 a 12 000 horas. O tempo de arranque e de re-arranque é de 4 e 6 minutos respetivamente, precisando de balastro e condensador para funcionarem.[24]

Figura 4.6: Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Alta Pressão [4]

4.2.5 Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão

São lâmpadas de descarga de alta intensidade, e necessitam de um balastro, de um arrancador e de um condensador. Estas lâmpadas funcionam a partir de uma mistura de sódio e mercúrio que é vaporizada no interior da lâmpada provocando um arco entre os electródos no tubo de descarga, causando uma emissão de luz com aparência amarelo-alaranjada. Normalmente, têm um rendi-mento de até 120 lm/W, um índice de restituição de cores que varia entre 25 e 60, sendo que no caso das lâmpadas de vapor de sódio de luz branca, o IRC aumenta para 80. A temperatura de cor varia entre 1900 a 2500oK e têm uma duração de vida média de 12 000 horas.[24]

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Figura 4.7: Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão [3]

4.2.6 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Iodetos

As lâmpadas de vapor de mercúrio de iodetos têm a capacidade de emitir radiação nas três cores primárias( vermelho, verde e azul) o que faz com que tenham um índice de restituição de cores que varia entre os 85 e 95, sendo esta a sua principal vantagem relativamente às lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão e de sódio de alta pressão. O seu rendimento é de até 80 lm/W, a temperatura de cor varia entre 3000 a 7000oK e tem ainda uma duração de vida média que varia entre 3 000 a 9 000 horas. O preço desta lâmpadas é elevado.[24]

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4.2.7 Lâmpadas Fluorescentes

A lâmpada fluorescente é uma lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão, em que a superfície interior do tubo de descarga se encontra revestida por uma camada fluorescente que transforma a radiação ultravioleta em radiação visível. O rendimento deste tipo de lâmpada chega a atingir valores de até 100 lm/W. O seu índice de restituição de cores varia entre 85 a 95 e a temperatura de cor é de 2700 a 5000oK. A duração de vida média situa-se entre 7 500 e 10 000 horas, sendo que uma maior frequência de acendimentos diminui a vida útil da lâmpada. A sua instalação com balastro eletrónico aumenta em 50% a duração de vida média e elimina o arran-que com cintilação. Com a aplicação de balastro magnético, obriga a adição de um condensador, sendo esta situação evitada com balastro eletrónico. São as lâmpadas mais utilizadas em espaços interiores.

As lâmpadas fluorescentes podem ser divididas em três grupos: fluorescentes compactas integra-das, fluorescentes compactas não integradas e fluorescentes tubulares.

As lâmpadas fluorescentes compactas integradas têm como grande desvantagem em relação às não integradas, o facto de que em caso de necessidade de substituição de uma lâmpada, é necessário substituir a lâmpada e o balastro, o que torna a solução pouco económica para o utilizador. As lâmpadas fluorescentes tubulares, são a forma mais comuns e antigas, dentro das fluorescentes para uma iluminação económica. As primeiras lâmpadas fluorescentes desenvolvidas, apresen-tavam um diâmetro do tubo de 38 mm, (designadas por T12) e utilizavam no seu revestimento interno um pó fluorescente comum. Posteriormente apareceram as lâmpadas T8, com um diâme-tro do tubo de 26 mm, trifosfóricas e com apenas 3mg de mercúrio. Existe ainda uma evolução posterior das lâmpadas T8, chamadas T5, em que o diâmetro do tubo passa a ser de 16 mm. As vantagens com esta evolução, traduzem-se na possibilidade de redução do tamanho das armadu-ras, um melhor controlo do feixe luminoso e um aumento do rendimento luminoso. Além disso as lâmpadas T5 proporcionam o seu fluxo nominal a uma temperatura ambiente de 35oC enquanto que, as T8 o fazem a 25oC.[24]

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4.2.7.1 Lâmpada Fluorescentes Compactas

A lâmpada fluorescente compacta é considerada uma lâmpada de baixo consumo e de baixa emissão térmica. O seu principio de funcionamento é idêntico ao das fluorescentes normais, mas tem um ou mais tubos de descarga em forma de U, para tornar a lâmpada mais compacta. O seu rendimento é de 40 a 60 lm/W, sendo que o rendimento luminoso se encontra limitado devido ao tamanho do tubo de descarga. O índice de restituição de cores é de 85 a 95 e a temperatura de cor é de 2700 a 5400oK. A duração de vida média varia entre 7 500 a 10 000 horas, sendo que, esta diminui com a maior frequência de acendimentos.

São ideais para substituição das lâmpadas incandescentes em uso residencial, pela sua dimensão reduzida e existência com casquilho E27 ou E14. Existem ainda com refletor interno para substi-tuição das lâmpadas de halogéneo com refletor interno.[24]

Figura 4.10: Lâmpada Fluorescentes Compactas [3]

4.2.8 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão

Estas lâmpadas são caraterizadas por terem o maior rendimento luminoso, atingindo os 200 lm/W. O índice de restituição de cores é muito reduzido e a temperatura de cor é de 1700oK. Tem ainda como características, uma duração de vida média de 12 000 horas e um tempo de arranque muito longo, cerca de 10 minutos e de re-arranque instantâneo. A luz emitida pela lâmpada é monocromática amarela. São usadas principalmente em iluminação pública e em iluminação de vigilância.[24]

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Figura 4.11: Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão [3]

4.2.9 Lâmpada de Indução

As lâmpadas de indução utilizam os princípios fundamentais da indução eletromagnética e da descarga em gás para criar luz. Bobinas eletromagnéticas, criam um campo eletromagnético em torno de um tubo de vidro que contém o gás, induzindo uma corrente elétrica no gás, o que provoca a sua ionização e a emissão de radiação luminosa visível. Funcionam a alta frequência, o que permite obter uma luz confortável e sem oscilações.

O seu rendimento luminoso é de 60 a 80 lm/W, o índice de restituição de cores é elevado, tendo um valor a rondar os 80. A temperatura de cor varia entre 2700oK e 4000oK e tem uma duração de vida média muito elevada devido à eliminação dos elétrodos, atingindo as 60 000 horas. O tempo de arranque e de re-arranque é rápido e sem cintilação. Necessitam de um gerador de alta frequência externo. São utilizadas em locais em que o acesso às armaduras de iluminação é difícil.[24]

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4.3 Luminárias 25

4.2.10 LEDS (Light Emitting Diodes)

O LED, light emitting diodes, é um díodo semicondutor que uma vez percorrido por uma cor-rente elétrica emite luz visível. A luz produzida por um LED não é monocromática, mas tem uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do eletrão. A cor da luz emitida depende da composição do material semicondutor utilizado, e pode ser in-fravermelha, visível ou ultravioleta. Os LED’s têm como principais vantagens apresentarem um baixo consumo, terem um rendimento luminoso muito elevado, um índice de restituição de cores que varia entre os 80 e 85 e a duração média de vida ser superior a qualquer outro tipo de lâmpadas conseguindo atingir as 100.000 horas. Tem como principal desvantagem o seu elevado custo de aquisição.[24]

Figura 4.13: LEDS [3]

4.3 Luminárias

Uma luminária tem a função de sustentar a fonte de luz e garantir uma distribuição eficiente do fluxo luminoso, assegurando conforto visual dos utilizadores. A luminária tem ainda que garantir a segurança e bom funcionamento do sistema, satisfazendo especificações mecânicas e elétricas e garantindo uma boa dissipação de calor.

É composta pelo suporte de lâmpada o qual garante que a lâmpada se mantém na posição correta, pelo corpo da luminária ou recetáculo o qual deve garantir um fácil acesso para substituição da fonte luminosa, garantindo proteção à fonte luminosa e todos os outros equipamentos auxiliares. É constituída ainda pelo sistema ótico que pode ser constituído por refletores, difusores e refratores.

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4.4 Balastros

Um balastro tem a função de limitar a corrente para os valores exigidos ao funcionamento adequado da lâmpada, podendo ser do tipo magnético ou eletrónico. Os balastros magnéticos são constituídos por um conjunto de espiras de cobre sobre um núcleo ferromagnético laminado. Este balastro tem como vantagens, o facto de ter um custo reduzido e de ser simples e robusto, mas apresenta um grande número de desvantagens, como ter uma baixa fiabilidade na ignição, um ren-dimento não muito elevado devido às perdas elétricas e magnéticas e ainda apresenta dificuldades na regulação do fluxo luminoso, sendo que esta regulação só pode ser feita através de balastros de nível duplo. Apresenta ainda um risco de sobreintensidades elevado e um fator de potência baixo, o que obriga à instalação de condensadores para a sua compensação.

Os balastros eletrónicos são conversores de eletrónica de potência tendo como principais funções, garantir uma tensão de arranque adequada ao funcionamento da fonte luminosa, manter os valo-res nominais de tensão e corrente da lâmpada em regime normal de funcionamento, garantir um fator de potência próximo de 1 e limitar a distorção harmónica e interferência eletromagnética. Estes balastros têm as vantagens de garantir uma poupança de energia na ordem dos 20% a 30% e aumentar o rendimento das lâmpadas em cerca de 10%, aumentando ainda o tempo de vida útil da lâmpada devido ao facto de garantirem arranques mais suaves. Têm ainda um funcionamento silênciosa, dado que a frequência a que trabalham é superior à faixa de audição humana e são capazes de reduzir o efeito estroboscópico, uma vez que as lâmpadas cintilam a uma frequência indetetável para o olho humano. A principal desvantagem deste tipo de balastros encontra-se no seu elevado custo financeiro, embora este tenha vindo a diminuir.[23]

4.5 Sistemas de gestão de iluminação

Para garantir uma gestão eficiente da iluminação é necessário uma divisão dos circuitos de iluminação por diferentes áreas e a respetiva instalação de interruptores ou sensores, os quais garantam uma melhor gestão do espaço. Os interruptores manuais têm a desvantagem de neces-sitarem de colaboração do utilizador do espaço para que a sua função seja eficiente, o que num espaço público poderá não ser fácil de ser atingido. Deste modo, abordaremos diferentes formas de gerir a iluminação de forma que a colaboração do utilizador não seja tão necessária.

4.5.1 Gestão por Sistema Horário

A gestão horária pode ser aplicada através de:

Automático de escada, o qual é utilizado em zonas de circulação como corredores ou escadas, nas quais a presença contínua de pessoas é pouco frequente. Este sistema é ativado através de um botão de pressão e desliga automaticamente após um tempo previamente definido. Tem ainda um contacto de marcha forçada, o qual permite a ativação permanente do sistema em situações, em que seja necessário a interrupção do desligar automático da luz.

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4.5 Sistemas de gestão de iluminação 27

Interruptor horário, o qual permite controlar a iluminação num horário pré-programado, sendo principalmente útil em locais que sejam utilizados em apenas certas horas do dia.

Interruptor astronómico, o qual é programado baseando-se na latitude ou longitude. 4.5.2 Gestão por Deteção Automática

Como exemplos deste tipo de sistemas temos:

Interruptor crepuscular, o qual controla a iluminação de acordo com o nível de luz no local, sendo por isso necessário uma célula fotoelétrica para medição da respetiva intensidade luminosa no local.

Interruptor variador, o qual permite variar a intensidade luminosa presente em determinado espaço.

Detetor de movimento/presença, os quais podem ter diferentes tecnologias:

Deteção por Infravermelhos, os quais detetam a diferença de temperatura emitida pelo corpo humano e a temperatura da área em redor;

Deteção através de Sensores Ultrassónicos, os quais utilizam ondas sonoras com frequência acima do intervalo audível pelo ser humano como forma de detetar movimento;

Detetores de dupla tecnologia, os quais utilizam a tecnologia de ultra-sons em conjunto com a tecnologia de infravermelhos passivos como forma de aumentar a eficiência do sistema.

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Capítulo 5

AVAC

Os sistemas de AVAC, sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado, são sistemas que asseguram a qualidade do ar em espaços interiores e fornecem a capacidade de regulação da temperatura, humidade e ventilação interior. A utilização de equipamentos AVAC é particular-mente importante em edifícios públicos, onde as condições de temperatura, humidade e renovação do ar são extremamente importantes por questões de saúde pública e bem estar do utilizador.[25]

5.1 Classificação de sistemas de AVAC

Os sistemas de AVAC podem ser classificados de acordo com a sua tipologia, existindo diver-sas classificações.

Os sistemas unitários são caraterizados por terem evaporador e o condensador montados numa base comum, formando um aparelho único de produção de calor ou frio. Estes sistemas, servem apenas um local e têm vindo a cair em desuso.[25] [26]

Por outro lado, os sistemas divididos são caraterizados por terem o compressor e evaporador em locais distintos. Estes sistemas são também chamados de sistemas split ou split. Os multi-split são sistemas em que existe mais que um evaporador servido por um só condensador, enquanto que os split tem um evaporador e um condensador.[25] [26]

Os equipamentos de AVAC podem também ser classificados de acordo com o local da sua insta-lação e os locais aos quais é fornecida a climatização, sendo divididos em sistemas de zona ou modular, e em sistemas centralizados.

Os sistemas de zona são caraterizados como sendo sistemas onde a climatização é feita em ape-nas algumas zoape-nas do edifício, sendo que a climatização geral do edifício será feita por outro sistema.[25] [26]

Os sistemas centralizados, diferencialmente dos primeiros, são capazes de climatizar toda a área que se pretende climatizar, sendo constituídos por uma unidade produtora de frio e/ou de calor. Estes sistemas podem ainda ser sub-divididos em: