i
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Estudo da Eficiência Energética e Gestão de
Energia em Edifícios Escolares
Rui Manuel Alves de Sousa
Dissertação realizada no âmbito do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Energia
Orientador: Prof. José Eduardo Roque Neves dos Santos
Janeiro 2011
ii
iii
Resumo
O presente trabalho faz uma apresentação profunda no que se refere à modelização das soluções que, em termos de eficiência energética nos edifícios terciários (escolares), deveriam ser adoptados, mais concretamente, com a qualidade da iluminação, o seu sistemas de controlo e cuidados com a potência reactiva, numa instalação eléctrica.
O trabalho foi estruturado em duas etapas, com os seguintes objectivos:
- Estudo da evolução e das soluções tecnológicas que, em termos de correcção do factor de potência, características de iluminação e seu controlo, são adoptadas em aproveitamento para melhorar a eficiência energética num edifício terciário (escolar).
- Desenvolvimento de um trabalho prático com vista à criação de uma metodologia para um modelo adequada a um edifício escolar, apresentando algumas experiências e leituras com diversas luminárias, resultados e soluções.
A realização da actividade experimental, permitiu um aprofundamento dos conhecimentos do autor, sobre a metodologia empregue, baseado numa pesquisa e análise exaustiva de material técnico e cientifico relevante para a criação do trabalho, seguida do cumprimento de um plano de estudo realizado em três escolas. Concluindo com a realização de testes em luminárias numa escola e aplicação de um estudo modela, utilizando sistemas de controlo de iluminação automatizada e controlo de energia reactiva.
v
Abstract
This work makes a thorough presentation regarding the modeling of solutions in terms of energy efficiency in tertiary buildings (schools) should be adopted, specifically with the quality of light, its control systems and care reactive power, an electrical installation.
The work was structured in two phases, with the following objectives:
- Study the evolution and technological solutions that, in terms of power
factor correction, lighting characteristics and control is adopted for use in improving energy efficiency in a building tertiary (academic).
- Development of a practical work for the establishment of a methodology for
a model suitable to a school building, with some experiences and readings with different fixtures, results and solutions.
The completion of the experimental activity, led to a deeper knowledge of the author, about the methodology used, based on exhaustive research and analysis of technical and scientific material relevant to the creation of the work followed the completion of a plan of study in three schools. Concluding with the testing of lamps in a school and applying a modeling study, using lighting control systems and automated control of reactive power.
vii
Agradecimentos
Ao meu orientador, Professor Neves dos Santos, pela proposta do tema, e, pelo apoio e total disponibilidade manifestadas ao longo da realização desta dissertação.
Ao Dr. Carlos Santos e professor Rui Oliveira, ao professor Joaquim Peruxa e colega Levindo Frota, pela pronta disponibilidade, quer na apresentação guiada, quer das informações e elementos referentes aos três edifícios escolares (EB23, em Baltar, Secundária António Sérgio, em V.N.Gaia e Secundária Gonçalo Zarco, no Porto), utilizado para o estudo.
Aos colegas da faculdade, que sempre estiveram dispostos para qualquer ajuda, pelo que faço questão de mencioná-los: Manuel Clemente; Rui Oliveira; Levindo Frota.
À empresa e colegas onde trabalho, pelo tempo, informação e apoio disponibilizado para a realização da minha dissertação.
Por fim, à minha família, principalmente esposa e filhos, que, em momentos difíceis, me apoiaram e ajudaram a tornar este trabalho possível.
ix
Índice
Resumo ... iii
Abstract ... v
Agradecimentos ... vii
Índice ... ix
Lista de figuras ... xiii
Lista de tabelas ... xix
Abreviaturas e Símbolos ... xxi
Capítulo 1 ... 1
Introdução ... 1
1.1 - Objectivos ... 2
1.2 - Breve apresentação do trabalho ... 2
Capítulo 2 ... 5
Considerações gerais sobre a eficiência energética ... 5
2.1 - Introdução ... 5
2.2 - Desafio energético e sustentabilidade ... 5
2.2.1 - Energia e sua dependência ... 9
2.2.2 - O farol para atingir o desenvolvimento sustentável ... 11
2.2.3 - Estratégia para a eficiência energética ... 12
2.2.4 - Edifícios sustentáveis ... 13
2.3 - A implicação de uma instalação eléctrica eficiente ... 14
2.4 - Conclusões ... 17
Capítulo 3 ... 19
Compensação do Factor de Potência ... 19
3.1 - Introdução ... 19
3.2 - Causas e consequências de um baixo factor de potência ... 20
3.2.1 - Principais causas de um baixo factor de potência... 21
3.2.2 - Principais consequências de um baixo factor de potência ... 23
3.2.2.1 - Perdas de energia na instalação ... 23
3.2.2.2 - Capacidade instalada ... 23
3.2.2.3 - Quedas de tensão ... 25
x
3.3 - Vantagens da correcção do factor de potência ... 25
3.3.1 - Melhorias na tensão ... 25
3.3.2 - Redução das perdas ... 25
3.3.3 - Vantagens para os consumidores ... 26
3.3.4 - Vantagens para os fornecedores de energia ... 26
3.4 - Compensação do factor de potência em Baixa Tensão ... 27
3.4.1 - Tipos de equipamentos e modos para compensação do factor de potência ... 27
3.4.1.1 - Localização das baterias de condensadores ... 27
3.4.1.2 - Compensação fixa e compensação automática ... 30
3.4.2 - Exemplo simples de compensação do factor de potência ... 32
3.4.3 - Estudo da correcção do factor de potência num projecto ... 33
3.4.3.1 - Instalações existentes e em funcionamento ... 33
3.4.3.2 - Instalações em fase de Projecto ... 34
3.5 - Dimensionamento das baterias de condensadores pela factura da EDP ... 34
3.6 - Conclusões ... 39
Capítulo 4 ... 41
Uso eficiente da iluminação ... 41
4.1 - Introdução ... 41
4.2 - Tipos de lâmpadas e suas características ... 42
4.2.1 - As lâmpadas de Incandescência e de Halogéneo ... 42
4.2.2 - As lâmpadas de descarga ... 43
4.2.3 - As lâmpadas de Mercúrio de Alta Pressão e de Luz Mista ... 44
4.2.4 - As lâmpadas de alta pressão de sódio ... 44
4.2.5 - As lâmpadas de Iodetos Metálicos ... 45
4.2.6 - As lâmpadas de Baixa Pressão de Sódio ... 45
4.2.7 - As lâmpadas fluorescentes Compactas (economizadoras) ... 46
4.2.8 - As lâmpadas fluorescentes (PL/TL/T5) ... 46
4.2.9 - As lâmpadas a Leds ... 48
4.2.10 - A iluminação por Fibras Ópticas ... 49
4.2.11 - A eficiência luminosa e vida útil das lâmpadas ... 50
4.2.12 - Cuidados com o impacto ambiental e reciclagem das luminárias ... 51
4.2.13 - Comparação entre diferentes lâmpadas... 52
4.3 - Classes de eficiência energética das lâmpadas ... 54
4.4 - Poupança de energia com lâmpadas fluorescentes ... 56
4.5 - Importância dos balastros electrónicos... 57
4.5.1 - Tipo de balastros electrónicos ... 58
4.6 - Conceitos básicos das luminárias ... 60
4.7 - Índices e normas para eficiência energética ... 62
4.8 - Escolha de um sistema de gestão de iluminação ... 63
4.8.1 - Gestão por sistema horário ... 63
4.8.2 - Gestão por detecção automática ... 65
4.9 - Conclusões ... 68
Capítulo 5 ... 69
Casos de estudo ... 69
5.1 - Introdução ... 69
5.2 - Interpretação da norma europeia EN15193 ... 70
5.2.1 - Interpretação dos cálculos baseados na norma EN15193 ... 73
5.2.2 - Interpretação dos cálculos para o consumo de iluminação ... 74
5.2.3 - Exemplo de cálculos de custo/investimento para uma sala de ensino ... 78
5.3 - Descrição de um equipamento teste desenvolvido para ensaios de luminárias ... 82
5.4 - Casos de estudo em edifícios escolares ... 84
5.4.1 - Escola de ensino S/3º ciclo antiga (por remodelar) ... 84
5.4.1.1 - Identificação dos aspectos negativos ... 85
5.4.1.2 - Medidas para remodelação do local ... 86
5.4.1.3 - Ensaios realizados com luminárias existentes no edifício escolar ... 88
5.4.2 - Escolas de ensino secundário remodeladas ... 95
xi
5.4.2.2 - Medidas e classificação dos espaços para melhorias do local ... 97
5.4.2.2.1 - Espaços de ocupação temporária ... 97
5.4.2.2.2 - Espaços de ocupação permanente... 99
5.4.2.2.3 - Espaços de ocupação breve ... 100
5.4.2.2.4 - Espaços de circulação (corredores e escadarias) ... 100
5.4.2.2.5 - Espaço Polivalente / Sala de Exposições / Área Desportiva ... 102
5.4.2.2.6 - Espaços exteriores para fins de fachada e circulação ... 103
5.4.2.2.7 - Espaços exteriores para fins de estacionamento ... 105
5.4.2.2.8 - Espaços de actividades desportivas exterior com e sem cobertura ... 105
5.4.2.2.9 - Iluminação de segurança (Emergência) ... 105
5.4.3 - Apresentação de cálculos para escola modelo ... 107
5.5 - Conclusões ... 110
Capítulo 6 ... 113
Conclusões e Perspectivas de Trabalho Futuro ... 113
6.1 - Sugestões para trabalho futuro ... 114
Referências ... 115
Anexo 1 ... 117
Correcção do Factor de Potência ... 117
1.1 - Solução e orçamento para a Correcção do Factor de Potência para a Escola S/3 B. de Baltara. ... 117
1.2 - Solução e orçamento para a Correcção do Factor de Potência para a Escola Secundária António Sérgio em V.N.Gaia. ... 119
1.3 - Entidade Reguladora dos serviços energéticos Despacho nº 12605/2010 ... 120
Anexo 2 ... 121
Estudo Luminotécnico ... 121
2.1 - Cálculos luminotécnicos para Escritório Administrativo (300mts) ... 121
2.2 - Cálculos luminotécnicos para Biblioteca/Sala de Conferência (35mts) ... 122
2.3 - Cálculos luminotécnicos para Sala de Aulas (63mts) ... 124
2.4 - Cálculos luminotécnicos para Corredor (73mts) ... 125
2.5 - Cálculos luminotécnicos para Pavilhão com iluminação combinada ... 126
2.6 - Cálculos luminotécnicos para Patamar de Escadas ... 129
2.7 - Cálculos luminotécnicos para WC ... 130
2.8 - Cálculos luminotécnicos para Pátio de Entrada ... 131
2.9 - Níveis de iluminação ... 132
2.10 - Normas Europeias ... 134
2.11 - NORME EN 15193... 135
2.12 - Cálculos da escola modelo ... 135
2.13 - Orçamento para casos de estudo (sistemas de controlo automatizado de iluminação). ... 139
xiii
Lista de figuras
Figura 2.1 - Utilização dos recursos naturais [6] [7] ... 6
Figura 2.2 - Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável [6] [7] ... 7
Figura 2.3 – Dimensão ambiental, económica e social da eficiência energética [6] [7] ... 8
Figura 2.4 - Expansão da energia primária, utilizada em Portugal, fonte [8] [9]. ... 9
Figura 2.5 - Fragmentação do consumo de energia em Portugal por sector em 2004 [13] .... 10
Figura 2.6 - Rácio entre importação de petróleo e PIB para Portugal e a EU [13] ... 10
Figura 2.7 - Intensidade energética em Portugal e média Europeia, energia fina PIB [13] .... 11
Figura 2.8 - Estratégias para o desenvolvimento sustentável [13]. ... 12
Figura 2.9 – Aspectos essenciais para um edifício sustentável com a fachada principal virada a sul [14]. ... 14
Figura 2.10 - Fragmentação dos consumos de electricidade pelas principais cargas no sector indústria e terciário [15] ... 15
Figura 3.1 - Representação vectorial das potências ... 20
Figura 3.2 - Fragmentação dos consumos de electricidade pelas principais cargas no sector indústria e terciário [15]. ... 21
Figura 3.3 - Fragmentação dos consumos de electricidade tipos de equipamentos de força motriz [15]. ... 21
Figura 3.4 - Redução percentual das perdas em função do factor de potência [16] ... 26
Figura 3.5 - Instalação de compensação global. ... 28
Figura 3.6 - Instalação de compensação sectorial. ... 28
Figura 3.7 - Instalação de compensação individual. ... 29
Figura 3.8 - Instalação de compensação mista. ... 29
xiv
Figura 3.10 - Esquema unifilar de fixo e automático. ... 31
Figura 3.11 - Banco de baterias automático com 5 escalões numa instalação global. ... 31
Figura 3.12 - Representação vectorial ... 33
Figura 3.13 - Tarifa BTE Inverno/Semanal da [ERSE]. ... 35
Figura 3.14 - Quadro resumo de alguns tarifários da [ERSE] ... 35
Figura 3.15 - Tarifário em vigor desde Janeiro de 2010, Despacho nº27 650/2009 da [ERSE] ... 36
Figura 3.16 - Exemplo da folha de cálculo para dimensionamento das baterias de condensadores com base nas facturas da EDP. ... 37
Figura 3.17 - Exemplo da folha de cálculo para dimensionamento das baterias de condensadores com base numa factura da. ... 38
Figura 3.18 - Exemplo da folha de cálculo para dimensionamento das baterias de condensadores com base em quatro facturas da Iberdrola, União Fenosa ou EDP. ... 38
Figura 3.19 - Retorno do investimento na compensação do factor de potência, para vários níveis de potência instalada. ... 38
Figura 4.1 - Exemplo de lâmpadas de Halogéneo e Incandescentes e sua composição espectral [20] ... 43
Figura 4.2 - Exemplo de lâmpadas de mercúrio de alta pressão e sua composição espectral [20] ... 44
Figura 4.3 - Exemplo de lâmpadas de sódio de alta pressão e sua composição espectral [20] ... 45
Figura 4.4 - Lâmpadas cerâmicas de iodetos metálicos e sua composição espectral, com e sem cerâmico [20]. ... 45
Figura 4.5 - Exemplo de lâmpadas de sódio de baixa pressão e sua composição espectral [20] ... 46
Figura 4.6 - Exemplo de lâmpadas fluorescentes compactas e sua composição espectral [20] ... 46
Figura 4.7 - Exemplo de lâmpadas fluorescentes e sua composição espectral [20] ... 47
Figura 4.8 - Comparação de diâmetro entre lâmpada T8 (Ø 26) e T5 (Ø 16) [20] ... 48
Figura 4.9 - Gráficos comparativos entre lâmpada T8 e T5 [19] ... 48
Figura 4.10 - Exemplo de fontes de luz no estado sólido (Led´s) e sua composição espectral [20] ... 49
Figura 4.11 - Iluminação decorativa por fibra óptica [22] ... 50
Figura 4.12 - Quadro comparativo par lâmpadas (potência, luminosidade e tempo de vida) [19] ... 50
Figura 4.13 - Diagrama duma lâmpada de vapor de sódio (composição, perigos e consequências). ... 51
xv
Figura 4.14 - Diagrama duma lâmpada fluorescente (composição, perigos e
consequências) ... 51
Figura 4.15 - Diagrama duma lâmpada de Halogéneo (composição, perigos e consequências) ... 52
Figura 4.16 - Etiqueta de eficiência energética da lâmpada [5] ... 55
Figura 4.17 - Balastro electrónico [19] ... 58
Figura 4.18 - Balastro electrónico com regulação digital Dali, comando regulação por botão [20] ... 59
Figura 4.19 - Balastros electrónicos com regulação, Dali ou DSI ligados em bus [20] ... 60
Figura 4.20 - Evolução da nova geração de lâmpadas fluorescentes com menor diâmetro [21]. ... 62
Figura 4.21 - Exemplos de um automático de escada, Interruptor horário analógico, digital e astronómico [17] ... 64
Figura 4.22 - Esquema em bus e imagem de uma central (GTC) e relé de 4 senários [24] .... 64
Figura 4.23 - Imagem de um regulador de luz com comando por interruptor e botão [17] ... 65
Figura 4.24 - Alguns detectores de presença de encastrar em tecto, parede e sua simbologia [17] [18] ... 67
Figura 4.25 - Zona de detecção de um detector de presença [18]. ... 67
Figura 4.26 - Esquema de controlo automático de 3 circuitos de iluminação, por inerrruptor [18] ... 68
Figura 5.1 - Representa o impacto do consumo de iluminação num edifício público. Valores obtidos [26]... 71
Figura 5.2 – Símbolos de marcas de certificação energética [17]. ... 72
Figura 5.3 - Representa os quatro pontos-chave para gestão de energia [17]. ... 72
Figura 5.4 - Exemplo duma etiqueta eco eficiente, aplicado a um escritório de 300m2 [18]. ... 73
Figura 5.5 - Relação entre e a luminosidade natural interior. ... 77
Figura 5.6 - Etiqueta eco eficiência, indicando poupança em € e CO2. ... 80
Figura 5.7 - Etiqueta eco eficiência, indicando poupança em € e CO2. ... 81
Figura 5.8 - Esquema de ligações para realização de das medições ... 83
Figura 5.9 - Imagem da montagem dos equipamentos que compõem a central de medida ... 83
Figura 5.10 - Imagens do interior da escola S/B3 ... 84
Figura 5.11 - Imagens do interior e exterior da escola S/B3 ... 84
xvi
Figura 5.13 – Tipo de baterias e orçamento baseado num fabricante especialista ―Alpes
Tecnologie‖[16]. ... 87
Figura 5.14 - Algumas imagens de ensaios e medidas de diversas lâmpadas: a) fluo-compacta; b) T5; c)Led´s; d) T8. ... 88
Figura 5.15 - Comparativo de consumos (W) entre vários tipos lâmpadas fluorescentes. .... 91
Figura 5.16 - Comparativo de consumos (I) entre vários tipos lâmpadas fluorescentes. ... 91
Figura 5.17 - Comparativo de consumos (%), entre potência indicativa nas lâmpadas e potência real na instalação. ... 92
Figura 5.18 - Comparativo de consumos de Potência, entre lâmpadas envelhecidas e novas, do tipo T8 36W / balastro electrónico. ... 93
Figura 5.19 - Comparativo de consumos de Potência, entre lâmpadas envelhecidas e novas, do tipo T8 36W / balastro electromagnético. ... 94
Figura 5.20 - Imagens do interior da escola Secundária ... 95
Figura 5.21 - Imagens do interior da escola Secundária ... 95
Figura 5.22 - Imagens do interior da escola Secundária ... 96
Figura 5.23 - Esquema unifilar do controlo de iluminação por a) detectores de presença e b) actuador 2 saídas [17]. ... 98
Figura 5.24 - Controlo de luminosidade combinado (luz natural/artificial) [17]. ... 99
Figura 5.25 - Controlo de iluminação por ultra sons (US) e infravermelhos (IV), a) Wc e b) balneários (imagem do autocad) e c) Wc em 3D [17]. ... 100
Figura 5.26 - Exemplo para lâmpada a) T8 sem reflector, b) T5 com reflector incorporado [21] e c) exemplo duma armadura T5 / 41W, sem reflector, da (foto do local [Expolux]). ... 101
Figura 5.27 - Exemplo (imagem do autocad) de um corredor comandado por GTC com sensores crepusculares de 3 circuitos de iluminação fraccionados em 3 níveis. ... 101
Figura 5.28 - Esquema unifilar simplificado da gestão técnica centralizada [24] ... 102
Figura 5.29 - Controlo de iluminação com telecomando (fluorescente/alta pressão de sódio), para o pavilhão multiusos (imagem do autocad). ... 103
Figura 5.30 - a), b) e c), projector para fachada e circulação com e sem coluna, interruptor astronómico, detector por hiper-frequência [20] [17]. ... 104
Figura 5.31 - a) Projector 4 lâmpadas 150W 10metros de altura, b) 150W 4 metros de altura e c) 100W suspenso [20]. ... 105
Figura 5.32 - Esquema de colocação em repouso automático das luminárias de segurança com corte de iluminação normal (contactor), por dispositivo de controlo (interruptor horário) ou interruptor chave [17]. ... 106
Figura 5.33 – Exemplo da folha de cálculo para dimensionamento das baterias de condensadores com base numa factura da EDP. ... 109
xvii
Figura 5.34 – Tipo de baterias e orçamento baseado num fabricante especialista ―Alpes
Tecnologie‖[16]. ... 109
Figura 5.35 - Imagem esquerda, de um armário para compensação do factor de potência
e á direita, uma bateria de condensadores em corte (fotos realizadas numa obra do fabricante [Alpes Tecnologie]). ... 110
xix
Lista de tabelas
Tabela 3.1 — Diferentes cargas e diversidade dos factores de potência ... 22
Tabela 3.2 — Variação da secção de um condutor e seu diâmetro, com o factor de potência Cos . ... 24
Tabela 3.3 — Variação da potência aparente em relação ao factor de potência ... 24
Tabela 3.4 — Resumo dos resultados dos cálculos. ... 32
Tabela 4.1 — Quadro resumo comparativo entre lâmpadas apresentando vantagens e desvantagens. ... 53
Tabela 4.2 — Tabela da classe de eficiência energética [19] ... 56
Tabela 5.1 — Valores retirados da tabela F1 da norma EN15193 [12]. ... 75
Tabela 5.2 — Valores (Fa), retirados da tabela D2 da norma EN15193 [12]. ... 75
Tabela 5.3 — Valores (Fo em função de Fa), retirados da tabela D3 da norma EN15193 [12]. ... 76
Tabela 5.4 — Factor da luz do dia (Fds), valores retirados da tabela C2b da norma EN15193 [12]. ... 76
Tabela 5.5 — , é a penetração da luz do dia, valores retirados da tabela C9 da norma EN15193 [12]. ... 76
Tabela 5.6 — Valores obtidos dos ensaios com as diversas luminárias novas. ... 90
Tabela 5.7 — Valores obtidos dos ensaios com as diversas luminárias Antigas (dois anos de vida). ... 93
Tabela 5.8 — Cálculos dos consumos e poupança energética para a escola modelo. ... 108
xxi
Abreviaturas e Símbolos
Lista de abreviaturas
AT Alta tensão
BBC Bâtiments basse consommation
BTN/BTE Baixa tensão normal e baixa tensão especial
CEN European Committee for Standardization
DALI Digital Addressable lighting interface
DSI Digital serie interface
EB23 Escola Básica 2º e 3º ciclo
EN15193 Energy Requerements for lighting
FP Factor de potência
FEUP Faculdade de Engenharia de Porto
FFL Factor de fluxo luminoso
GEEE Gases efeito de estufa
GTL Gestão técnica
IV Infravermelhos
Led Lighting emitted diodes
LENI Lighting energy numeric indicator
MAT Muito alta tensão
MT Media tensão
NE Norma europeia
THD Distorção harmónica total
PC Potência contratada
PIR Passive Infrared
PT Potência total
US Ultra-som
URE Utilização racional de energia
xxii Lista de símbolos: C Capacidade f Frequência S Potência aparente P Potencia activa Q Potência reactiva U Tensão I Corrente
Correcção do factor de potência
W Watte
Qc Potência reactiva do condensador
Energia activa
Energia reactiva
Fluxo luminoso
Factor eficiência
Fluxo luminoso da lâmpada
L Luminância
Sa Superfície reflectora
Capítulo 1
Introdução
A energia eléctrica é hoje um elemento essencial e vital para qualquer nação, sendo o alicerce do desenvolvimento económico e dos altos níveis de vida que actualmente se verificam. Face ao contínuo crescimento da população mundial, é essencial que se diversifiquem as fontes de energia primária e se ampliem, num curto prazo de tempo, a eficiência dos sistemas de conversão de energia, de modo a atender, de forma sustentada e equilibrada, ao previsível aumento de consumo de energia eléctrica no futuro.
A luz é um elemento importante e indispensável nas nossas vidas. Por isso, é encarada de forma familiar e natural, fazendo com que ignoremos a real necessidade de conhecê-la e compreendê-la.
A iluminação consome cerca de 20% de toda a electricidade a nível mundial e por isso, contribui em grande medida para o aquecimento global. É importante saber que 75% da iluminação dos escritórios na Europa (edifícios terciários) baseia-se em sistemas antiquados e ineficientes em termos energéticos [3].
Um edifício de escritório standard (2000m2), utilizando tecnologia de iluminação antiquada e menos eficiente em termos energéticos, empregando 100 colaboradores poderá poupar 15000kg de e 3000€ em custos de operação todos os anos se actualizar o seu sistema de iluminação segundo os últimos avanços tecnológicos [3].
Através do protocolo de Quioto, os países Industrializados acordaram em reduzir as suas emissões de gases com efeito de estufa em 5,2% até 2012, tendo por base o nível de emissões em 1990.
Portugal, age também no sentido da preservação do ambiente e do cumprimento dos compromissos que assumiram enquanto membro da UE, no âmbito do protocolo de Quioto.
A subida dos preços da energia e a pressão para reduzir as emissões de , são temas de especial relevância para muitas organizações, para não mencionar o impacto que a utilização da energia tem sobre as alterações climáticas. A iluminação fluorescente é a tecnologia mais utilizada no mercado e, por isso, apresenta grandes possibilidades de poupanças energéticas.
2 Introdução
Porém, há um grande número de organizações que desconhece a grande diferença que as suas instalações de iluminação podem fazer [6] [7] [5].
O tema para esta dissertação (estudo da eficiência energética e gestão de energia para um edifício escolar), foi pensado no âmbito da necessidade crescente em reduzir os custos com a energia. Para esse efeito, o estudo está direccionado para duas áreas de elevado consumo de energia; a energia reactiva (provocada por diversos equipamentos eléctricos) e a má gestão com a iluminação nos edifícios.
1.1 - Objectivos
O trabalho apresentado possui dois objectivos essenciais, em torno dos quais se compôs também a preparação desta dissertação:
- Fazer um ponto de situação actualizado relativamente à tipificação das soluções tecnológicas que, em termos de correcção do factor de potência, características de iluminação e seu controlo, são adoptadas em aproveitamento para melhorar a eficiência energética num edifício terciário.
- Desenvolver um trabalho prático com vista à criação de uma metodologia, para um modelo adequada a um edifício escolar, apresentando algumas experiências e leituras com diversas luminárias, resultados e soluções.
A metodologia empregue consiste numa pesquisa e análise (documentação e pesquisa em campo) exaustiva de material técnico e cientifico relevante para a elaboração do trabalho, seguida do cumprimento de um plano de estudo realizado em três escolas, concluindo com a realização de testes em luminárias numa escola secundária (S/3 básica) e aplicação de um estudo modelo num edifício escolar, utilizando sistemas de controlo de iluminação automatizada e controlo de energia reactiva.
1.2 - Breve apresentação do trabalho
Em termos de estrutura, esta dissertação é composta por seis capítulos. No primeiro, é identificado o contexto do trabalho, caracterizando-se genericamente os objectivos essenciais, no que diz respeito a pesquisa e desenvolvimento prático.
No segundo capítulo, são tecidas considerações acerca da evolução energética, sustentabilidade e a eficiência energética.
São mencionados, os cuidados e a metodologia a sugerir para dispor de uma instalação eléctrica eficiente, abordando as diversas tecnologias que permitem solucionar o desperdício energético nomeadamente, a iluminação e correcção do factor de potência.
O terceiro capítulo, é dedicado á apresentação dos conceitos, relacionados com a compensação do factor de potência.
Breve apresentação do trabalho 3
São apresentados os problemas com: o excesso de energia reactiva numa instalação; as suas causas; as soluções e os tipos de instalações para compensação do factor de potência; a escolha das baterias, tendo em atenção aos eventuais harmónicos existentes na instalação; a correcção do factor de potência, pela factura do fornecedor de energia, aplicando uma folha de calculo.
O quarto capítulo, é dedicado à apresentação do uso eficiente, sobre o domínio da luz, da sua iluminação e de sistemas de controlo.
São apresentados os conceitos e cuidados a ter em consideração, aquando a realização de um projecto luminotécncio e uma descrição técnica dos tipos de lâmpadas (vantagens e desvantagens) existentes no mercado profissional, mencionando o seu impacto ambiental.
O capítulo cinco é dedicado à descrição e apresentação de resultados de uma metodologia aplicada à actividade experimental, no domínio do controlo e gestão de iluminação e correcção do factor de potência. Elementos, criados com base na norma 15193, para aplicação como modelo numa escola secundária.
Utilizou-se algumas ferramentas de apoio como: programa de autocad; programa de luminotécnica (Indalwin 6), folha de cálculo para escolha automática das baterias de condensadores; folha de cálculo para comparação de consumos (kWh), versus (CO2), baseado na norma 15193.
Por fim, o capitulo seis, apresenta as principais conclusões deste trabalho de pesquisa e menciona algumas perspectivas para a sua continuidade futura.
Capítulo 2
Considerações gerais sobre a eficiência
energética
2.1 - Introdução
A gestão dos recursos de energia é hoje um dos principais desafios que, a nível mundial, a sociedade moderna enfrenta.
O desafio é enorme e a solução a longo prazo está longe de ser conhecida. A curto e médio prazo, a acção tem de passar pela procura de fontes alternativas de energia, com ênfase especial para as renováveis, e pelo aumento da eficiência da utilização das energias disponíveis.
Neste contexto, a preocupação com a eficiência energética e gestão de energia nos edifícios públicos, tem vindo a aumentar, por ser dos sectores que mais energia consome.
Neste capítulo, são tecidas considerações acerca da importância da eficiência energética, descrevendo os cuidados e manuseamento a ter com os equipamentos instalados numa instalação eléctrica, com objectivo em transformar um edifício (novo/antigo), numa solução eco – eficiente.
2.2 - Desafio energético e sustentabilidade
A expansão económica prevalecente nas últimas décadas, caracterizou-se pela utilização muito intensa de energia produzida a partir de recursos de origem fóssil. A natureza finita desses recursos naturais, e o impacto ambiental da sua produção e consumo, alertaram o mundo para a necessidade de mudança dessas premissas de suporte ao modelo de desenvolvimento. Aliada a esta realidade surgiram ainda as evidências da globalização que hoje nos demonstram a interdependência de factores até há pouco vistos como independentes, tais como o acesso e a utilização de energia e o desenvolvimento económico, o combate à pobreza e as preocupações ambientais e climáticas, entre outros.
6 Considerações gerais sobre a eficiência energética
Novas vias têm que ser encontradas para viabilizar a manutenção dos padrões de vida das sociedades desenvolvidas e as justas aspirações dos países em desenvolvimento, sem contudo comprometer o futuro das gerações vindouras.
O desafio que se coloca aos governos, às instituições e às empresas, não se pode limitar à identificação de uma necessidade de mudança de rumo no paradigma energético. Ele tem necessariamente de passar pela definição do modo como essa mudança pode e deve ser realizada, garantindo o progresso social, o equilíbrio ambiental e o sucesso económico.
A maneira como utilizamos a energia de que dispomos, é uma questão chave neste processo e, por isso, o aumento da eficiência energética das operações nas empresas é imprescindível para se atingirem os objectivos do novo modelo de desenvolvimento, tanto pela diminuição da intensidade energética global, como pelo aumento dos correspondentes resultados económicos.
A eficiência energética e a gestão de energia, constituem como uma valiosa oportunidade para as empresas, se afirmarem como parte da solução, com a criação de valor real para o negócio e simultaneamente para a sociedade e para o ambiente.
O conceito de desenvolvimento sustentável surgiu no final do século XX, pela constatação de que o desenvolvimento económico também tem que levar em conta o equilíbrio ecológico e a preservação da qualidade de vida das populações humanas a nível global. A ideia de desenvolvimento sustentável, tem por base o princípio de que o Homem deve gastar os recursos naturais de acordo com a capacidade de renovação desses recursos, de modo a evitar o seu esgotamento (figura 2.1). Assim, entende-se por desenvolvimento sustentável, aquele que atende às necessidades do presente sem comprometer a possibilidade de as gerações futuras fazerem o mesmo [6] [7].
Desafio energético e sustentabilidade 7
A sustentabilidade assenta nos seguintes princípios de gestão de recursos:
As emissões de resíduos poluentes devem ser reduzidas ao mínimo e não devem exceder a capacidade de absorção e de regeneração dos ecossistemas;
Os recursos não renováveis devem ser explorados de um modo quase sustentável limitando o seu ritmo de esgotamento ao ritmo de criação de substitutos renováveis; A exploração dos recursos renováveis não deve exceder ritmos de regeneração.
O meio ambiente, a actividade económica e o bem-estar global da sociedade formam três pilares no qual se apoia a ideia de desenvolvimento sustentável.
A expansão sustentável só pode ser alcançada se estes três eixos evoluírem de forma harmoniosa (figura 2.2).
Os três círculos representam as dimensões ambientais, económica e sociais associadas, sendo de salientar os seguintes aspectos:
O desenvolvimento sustentável vai para além da conservação ambiental;
As actividades desenvolvidas no presente e no médio prazo devem garantir a satisfação global das necessidades das gerações futuras;
Os processos económicos, sociais e ambientais estão fortemente interligados;
O desenvolvimento sustentável apela a mudanças estruturais a longo prazo na economia e no sistema social, com o objectivo de reduzir o consumo dos recursos naturais mantendo o potencial económico e a coesão social.
Figura 2.2 - Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável [6] [7].
É de destacar, que o principal entrave ao equilíbrio deste triple, é o elevado consumo energético ao qual a economia é muito dependente nos dias de hoje.
A nível nacional, os primeiros passos foram dados em 1998, com o Plano Nacional para o Desenvolvimento Económico e Social (2000-2006). Neste documento, o Governo definia os vários objectivos ambientais a serem alcançados para o período em questão. No seguimento
8 Considerações gerais sobre a eficiência energética
dos compromissos internacionais assumidos por Portugal no âmbito da Agenda 21, Portugal apresentou um documento intitulado "Estratégia Nacional de Desenvolvimento Sustentável" (ENDS 2002), na preparação da Cimeira Mundial de Joanesburgo. Com base nas recomendações feitas durante o período de discussão pública, foi apresentada uma nova proposta da Estratégia Nacional de Desenvolvimento Sustentável (ENDS 2005-2015), em Julho de 2004, completando a versão da ENDS de 2002.
O problema energético aqui tratado, é sem dúvida um obstáculo ao desenvolvimento sustentável. De forma similar, o problema da eficiência energética é também algo que depende da nossa sociedade que gera a economia em plena dependência do meio ambiente que a rodeia (figura 2.3).
Figura 2.3 – Dimensão ambiental, económica e social da eficiência energética [6] [7].
Com estes factos, não deverão ser esquecidos os principais objectivos, em diminuir os consumos energéticos derivados das fontes poluentes [10], tais como:
O aumento da eficiência energética: um dos principais objectivos do RSECE, é os recursos não renováveis, que devem ser explorados de um modo quase sustentável limitando o seu ritmo de esgotamento ao ritmo da criação de substitutos renováveis;
O aumento das energias renováveis: exploração dos recursos renováveis não deve exceder o ritmo de regeneração;
O aumento da co-geração: sempre que possível, deverá ser feita a reutilização e a reciclagem dos resíduos resultantes da utilização de recursos não renováveis;
A fixação das emissões de CO2: as emissões de resíduos poluentes devem ser reduzidas ao mínimo e não devem exceder a capacidade de absorção e de regeneração dos ecossistemas.
Desafio energético e sustentabilidade 9
2.2.1 - Energia e sua dependência
Ao longo da história, as necessidades das sociedades em energia têm vindo a aumentar, particularmente após a Revolução Industrial. O consumo crescente de energia tem sido satisfeito pela utilização do carvão, do petróleo e, mais recentemente, do gás natural. Estes combustíveis fósseis são recursos naturais não renováveis, devido à sua taxa de formação ser muito lenta em relação à escala temporal do homem.
O gráfico da figura 2.4, mostra bem a dependência energética de Portugal, com cerca de 85% do consumo total, uma vez que os combustíveis fósseis são totalmente importados.
Figura 2.4 - Expansão da energia primária, utilizada em Portugal, fonte [8] [9].
De acordo com o actual ritmo de exploração, estima-se que as reservas petrolíferas conhecidas estejam na sua maioria esgotadas até ao ano de 2050. O horizonte temporal do gás natural é um pouco mais dilatado e a utilização em larga escala do carvão, cujas reservas são de alguns séculos, é a mais gravosa em termos ambientais. Os combustíveis fósseis, ao serem queimados, produzem grandes quantidades de poluentes, tais como dióxido de carbono, óxidos de azoto e poeiras, com impactos negativos sobre a qualidade do ar, o efeito de estufa e a saúde humana [8].
Observando o gráfico da figura 2.5, pode ver-se a desagregação dos consumos finais da energia em Portugal por sectores. Como se depreende, o aumento da dependência eléctrica é acentuado. É de referir um elevado valor por parte dos edifícios e serviços, responsáveis por 31% do consumo de energia eléctrica nacional.
10 Considerações gerais sobre a eficiência energética
Figura 2.5 - Fragmentação do consumo de energia em Portugal por sector em 2004 [13].
A segurança de abastecimento visa não só maximizar a autonomia energética, mas também reduzir os riscos que lhe estejam associados, o que implica designadamente o equilíbrio e a diversificação das várias fontes de abastecimento. A dependência actual de Portugal e da maioria dos países ocidentais, relativa a uma pequena quantidade de fontes de abastecimento que estão maioritariamente ligadas ao petróleo, conduz a um incremento da insegurança de abastecimento. Este facto é agravado quando existe uma grande dependência do exterior e pelas constantes subidas do preço do petróleo.
A evolução do sistema energético nacional caracteriza-se nomeadamente, por uma forte dependência externa e consequente crescimento da factura energética e por uma elevada intensidade energética do produto interno bruto (PIB). Na fig. 2.6 encontra-se representado o rácio entre as importações de petróleo e o PIB, tanto de Portugal como da EU [13].
Figura 2.6 - Rácio entre importação de petróleo e PIB para Portugal e a EU [13].
O gráfico da figura 2.7, mostra que Portugal tem feito fortes investimentos desde 2005, no entanto, a intensidade energética nacional continua significativamente acima da média europeia.
Desafio energético e sustentabilidade 11
Figura 2.7 - Intensidade energética em Portugal e média Europeia, energia final PIB [13].
Esta situação está essencialmente associada a três motivos:
Portugal ocupa a 15ª posição em relação à intensidade energética na União Europeia dos vinte e sete, ou seja, é um país que incorpora um elevado consumo de energia final para produzir uma unidade de produto interno;
Maior dependência energética do petróleo. O petróleo satisfaz cerca de 64% do consumo de energia primária em Portugal.
Ausência de capacidade interna de produção de petróleo e gás natural. Portugal produz apenas cerca de 15% da energia de que necessita;
A segurança de abastecimento está também estreitamente ligada à evolução da procura energética, pois o constante crescimento da procura implica um risco acrescido para a segurança energética. Urge assim diversificar as fontes de energia, nomeadamente através da aposta nas energias renováveis e atenuar a intensidade energética através da promoção de medidas de eficiência energética.
2.2.2 - O farol para atingir o desenvolvimento sustentável
Para alcançar o desenvolvimento sustentável a nível energético, existem três estratégias complementares (gráfico da figura 2.8):
Intensificação da eficiência energética e da coogeração;
Aumento das energias renováveis;
12 Considerações gerais sobre a eficiência energética
Figura 2.8 - Estratégias para o desenvolvimento sustentável [13].
Enquanto a primeira estratégia procura atenuar o crescimento da procura de energia, a segunda tem como objectivo dar resposta à satisfação da procura, utilizando de forma crescente recursos renováveis. As duas estratégias anteriores têm como objectivo principal minimizar os impactos ambientais da produção de energia. Durante o século XXI os combustíveis fósseis ainda terão um papel relevante para viabilizar uma transição suave para as energias renováveis. Como estratégia complementar às anteriores, a fixação de CO2 permitirá a utilização de combustíveis fósseis sem os impactos negativos associados às emissões de CO2 [13].
2.2.3 - Estratégia para a eficiência energética
A utilização racional de energia (URE) visa proporcionar o mesmo nível de produção de bens, serviços e de conforto através de tecnologias que reduzem os consumos face a soluções convencionais. A URE pode conduzir a reduções substanciais do consumo de energia e das emissões de poluentes associadas à sua conversão.
Em muitas situações a URE pode também conduzir a uma elevada economia nos custos do ciclo de vida dos equipamentos utilizadores de energia (custo inicial mais custo de funcionamento ao longo da vida útil). Embora geralmente sejam mais dispendiosos, em termos de custo inicial, os equipamentos mais eficientes consomem menos energia, conduzindo a custos de funcionamento mais reduzidos e apresentando outras vantagens adicionais.
Um dos impactos mais significativos da utilização de energia primária através da URE, para além da redução dos custos associados à factura energética, é contribuir para a mitigação das emissões de poluentes associadas à conversão de energia.
Os principais impactos das acções de URE, são apresentados a seguir:
Reforço da competitividade das empresas; Redução da factura energética do País;
Desafio energético e sustentabilidade 13
Redução da intensidade energética da economia; Redução da dependência energética;
Redução das emissões de poluentes, incluindo os gases de efeito de estufa.
As tecnologias de eficiência energética oferecem frequentemente outros benefícios não energéticos, que não são oferecidos pelas alternativas do lado da oferta. Na perspectiva de muitos consumidores, são os benefícios não energéticos que estão maioritariamente na origem da decisão da utilização de tecnologias mais eficientes.
Exemplos de benefícios não energéticos:
Aumento do emprego associado ao fabrico, instalação, funcionamento e manutenção de equipamentos eficientes.
Redução do ruído;
Aumento do conforto e da segurança; Aumento da produtividade do trabalho; Melhoria do controlo dos processos; Poupança de água;
Redução dos resíduos;
2.2.4 - Edifícios sustentáveis
Na concepção de um edifício, a adopção de algumas medidas bem dimensionadas, poderá influenciar significativamente o seu desempenho em termos do conforto térmico no seu interior e, consequentemente, dos seus ocupantes. Como o consumo energético depende das condições de conforto que os ocupantes querem atingir, se o edifício estiver pouco adaptado ao clima local será necessário maior consumo de energia para atingir as condições de conforto térmico pretendido. Contudo, se na concepção de um edifício são utilizadas as estratégias bioclimáticas correctas, o edifício fica mais próximo de atingir as condições de conforto térmico e de diminuir os respectivos consumos energéticos para atingir esses fins.
As estratégias a adoptar para a criação de edifícios sustentáveis, são um conjunto de regras ou medidas de carácter geral, destinadas a influenciar a forma do edifício, bem como os seus processos, sistemas e componentes construtivos. As estratégias a adoptar num determinado edifício ou projecto, deverão ser seleccionadas tendo em atenção a especificidade climática do local, a função do edifício e, consequentemente, o modo de ocupação e operação do mesmo, com o objectivo de promover um bom desempenho em termos de adaptação ao clima.
Deve-se fazer o aproveitamento da massa térmica, através da utilização de sistemas solares passivos, tirando partido da capacidade do betão em termos de armazenagem de calor/energia (figura 2.9).
14 Considerações gerais sobre a eficiência energética
Figura 2.9 – Aspectos essenciais para um edifício sustentável com a fachada principal virada a sul
[14].
2.3 - A implicação de uma instalação eléctrica eficiente
A energia eléctrica é a principal fonte de energia na maior parte das empresas e em muitos casos a única fonte de energia utilizada. Este tipo de energia apresenta um custo elevado, pelo que, o correcto dimensionamento em projecto e a optimização de contratos e tarifas adequados aos padrões de utilização, podem representar benéficos em termos da utilização racional da energia [2] [14].
Deve haver a preocupação, em melhorar a forma de utilização da energia eléctrica, apresentando as seguintes medidas:
Escolher o contrato de fornecimento energia eléctrica que mais se adequar ao perfil de consumos da empresa. Para tal será necessário analisar a facturação energética de pelo menos um ano. Os factores mais importantes a ter em conta são, a potência contratada e facturada e o regime de utilização relacionado com o perfil diário dos consumos energéticos.
A potência contratada (PC) pode representar entre 10 a 20% do valor facturado. Ao analisar na facturação anual os valores mensais da potência tomada (PT), é visível constatar a possibilidade de redução da PC. Se a PT for sempre inferior ao longo dos 12 meses a, será recomendável a redução da PC, isto desde que não estejam previstas novas máquinas e que a PT não seja inferior a 50% da potência nominal instalada (transformadores).
Os equipamentos e máquinas industriais necessitam da Energia Reactiva, a qual não produz trabalho, mas é necessária para o seu funcionamento. Nos contratos de média e alta tensão esta energia é paga fora das horas de vazio, e quando o parâmetro factor de potência ( ) é inferior a 0,95. Com a instalação de condensadores é possível compensar o factor de potência mantendo-o a um nível elevado, eliminando da factura estes custos. Este tipo de energia (reactiva) inflaciona em muito o gráfico da figura 2.10, no sector industrial (força motriz).
A implicação de uma instalação eléctrica eficiente 15
Reduzir ao máximo, os consumos durante as horas de ponta, programando as acções de manutenção dos equipamentos e as mudanças de turno para esses períodos. Enquadrar o mais possível as horas de refeições, paragens, e formação nas horas de ponta.
Evitar o funcionamento dos transformadores perto da carga nominal e em regimes de cargas excessivas. Nestes pontos o transformador tem uma eficiência menor. O valor máximo da eficiência é atingido aos 50% da carga.
O dimensionamento das secções dos cabos deverá ser feito de acordo com as normas legais, e eventualmente sobredimensionados, de forma a reduzir as perdas energéticas nos mesmos.
Ao alimentar equipamentos monofásicos a partir de uma rede trifásica deverá ser procurada uma distribuição uniforme pelas três fases, evitando desequilíbrios de corrente e sobrecargas nos circuitos, resultado assim menores perdas globais.
Deve ser evitada a utilização da electricidade como fonte térmica. Esta fonte de energia é das mais caras e a fonte de energia final com maior custo energético, uma vez que grande parte da sua produção tem origem nas centrais termoeléctricas, com rendimentos inferiores a 40%.
Os motores eléctricos são os equipamentos de maior preocupação em todos os sectores industriais, sendo responsáveis por mais de 60% do consumo de electricidade na indústria, e por cerca de 30%, do consumo eléctrico global do País. A racionalização dos motores eléctricos é possível, evitando consumos supérfluos, gerindo o arranque dos motores, utilizando sistemas de transmissão eficientes, utilizando motores correctamente dimensionados, e de "Alto Rendimento".
As precauções acima apresentadas, tornam-se importantes no sentido de reduzir o consumido pela força motriz, tanto no sector industrial como no sector terciário, como podemos constatar pela figura 2.10.
Figura 2.10 - Fragmentação dos consumos de electricidade pelas principais cargas no sector indústria e
16 Considerações gerais sobre a eficiência energética
A imagem da figura 2.10, representa uma comparação fragmentada de consumo, entre dois sectores muito importantes. Constatamos que a iluminação aparece como a carga mais importante no sector terciário, sendo logo seguido pela força motriz.
O consumo em energia para iluminação pode representar até 35% do total da facturação em energia eléctrica num edifício público ou terciário. Assim sendo, devemos dar uma especial atenção neste sector.
Seguem-se aqui alguns conselhos sobre medidas a implementar, com o objectivo de reduzir os consumos na iluminação artificial:
Desligar a iluminação nos períodos de paragem, incutindo esta prática nos utilizadores, ou através de sistemas automáticos, como sensores de intensidade luminosa, de presença humana ou relógios programáveis.
Manter os sistemas de iluminação limpos (lâmpadas, iluminarias, reflectores e difusores).
Aproveitar ao máximo a iluminação natural, preferindo edifícios com este tipo de soluções (vão envidraçados, janelas com boa iluminação, clarabóias).
Utilizar cores claras e adequadas na pintura dos espaços, de forma a maximizar a iluminação existente.
Utilizar níveis de iluminação adequados as actividades desenvolvidas nos espaços à iluminar. Níveis demasiado altos de iluminação originam desperdícios energéticos e incomodidade visual, níveis demasiado baixos propiciam cansaço, maior probabilidade de erros e mesmo acidentes. Consultar a norma DIN 5035 a qual estabelece níveis de intensidade luminosa em ―Lux‖, apropriada para diferentes espaços.
Preferir, sempre que possível, lâmpadas tipo fluorescentes, que são mais eficientes e tem maior durabilidade.
Na iluminação de grandes espaços, onde a restituição da cor não é importante, preferir lâmpadas de vapor de sódio da alta pressão, que são mais eficientes que as lâmpadas de vapor de mercúrio.
Na utilização da iluminação exterior, poderão ser utilizadas lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão, que, apesar de apresentar um índice de restituição da cor muito baixo (factor menos importante nestas aplicações), são as mais eficientes.
Aplicação de balastros electrónicos pode representar reduções de consumos na ordem do 20 a 30%.
Utilização de armaduras mais eficientes permitem também reduzir a potência instalada através de uma melhoria no fluxo luminoso.
A implicação de uma instalação eléctrica eficiente 17
O correcto seccionamento dos circuitos de iluminação facilita a boa gestão e aplicação dos conselhos de poupança energética. Instalação de disjuntores por secções de laboração e interruptores com um máximo de 6 pontos de luz, propiciando assim a utilização só nos locais em que é necessária.
2.4 - Conclusões
Pesem embora as dificuldades e barreiras acima mencionadas, torna-se inquestionável, a progressiva mudança de atitudes por parte dos agentes envolvidos nestes processos, as administrações e autarquias, as empresas do sector eléctrico e promotores imobiliários, face à evidência crescente da necessidade em baixar os consumos energéticos.
Em termos globais, as energias renováveis, em particular a energia eólica, constituem uma importante alavanca em termos ambientais e, em particular, no contributo para atingir os objectivos a que Portugal se comprometeu perante a UE.
Desde 2005 que Portugal, tem feito fortes investimentos, com objectivo de inverter a intensidade energética, no entanto o consumo de energia nacional continua significativamente acima da média europeia (exemplo: em 2007, média E.U.-27, Portugal ficou em 15 posição, devido à dependência das energias primárias).
Para inverter o aumento da intensidade energética, devemos investir mais na forma de gestão da energia eléctrica, investindo na qualidade e eficiência energética dos edifícios novos ou de renovação.
Para isso devemos alterar as técnicas de construção tradicional, investindo em novos matérias de construção e novas técnicas e tecnologias de instalação, associadas ao controlo energético nos edifícios.
Capítulo 3
Compensação do Factor de Potência
3.1 - Introdução
A energia reactiva está presente em todos os sistemas de corrente alternada, podendo provocar instabilidade, variações de tensão e elevadas perdas por efeito de joule. Estas causas, podem ser reduzidas, atenuando as correntes reactivas.
Para além dos encargos resultantes ao nível da factura de electricidade, um factor de potência baixo, provoca também maiores perdas de energia em toda a instalação, com o aquecimento excessivo dos cabos e dispositivos de controlo, contribuindo para a deterioração mais rápida dos equipamentos eléctricos.
A maioria das cargas das unidades consumidoras, absorvem, para além da potência activa, uma potência reactiva indutiva. Seguem alguns exemplos de cargas nestas condições:
Transformadores;
Motores (principalmente assíncronos); Postos de soldaduras;
Fornos de indução; Lâmpadas de descargas; Lâmpadas economizadoras; Electrónica de potência.
Em resumo, todos os receptores em que a intensidade é desfasada (em atraso) em relação á tensão.
Enquanto que a potência activa é consumida na execução de trabalho, a potência reactiva, além de não produzir trabalho, circula entre a carga e a fonte de alimentação, ocupando um ―espaço‖ no sistema eléctrico que poderia ser utilizado para fornecer mais energia activa.
Quando existem correntes importantes nas linhas (AT, MT, BT), verificam-se grandes quedas de tensão nas impedâncias associadas.
20 Compensação do Factor de Potência
Uma forma de reduzir as quedas de tensão nas linhas, é de compensar a rede com energia reactiva, de preferência em diversos pontos e se possível junto da carga que a produz, reduzindo os fluxos de potência reactiva nas linhas, reduzindo assim as quedas de tensão na rede.
O factor de potência, é definido como a razão entre a potência activa e a potência aparente, podendo váriar de 0 a 1 (cos ). Um triângulo rectângulo é frequentemente utilizado para representar as relações entre potência activa (kW), potência reactiva (kVAr) e potência aparente (kVA), conforme a figura 3.1.
Figura 3.1 - Representação vectorial das potências
Da representação vectorial, obtemos o cálculo do factor de potência representado pela seguinte expressão:
(3.1)
Neste capítulo, são tecidas considerações acerca da importância da correcção do factor de potência, salientando os seguintes pontos: os problemas numa instalação e suas causas; os cuidados a ter numa instalação; os tipos de instalação das baterias; a correcção do factor de potência pela factura de fornecedor de energia, aplicando uma folha de calculo.
3.2 - Causas e consequências de um baixo factor de potência
Existem no mercado do consumo energético, dois sectores importantes para o desenvolvimento económico, sendo estes sectores, a industrial e o terciário. Nesses dois sectores, distingue-se duas áreas importantes de consumo energético, sendo elas a iluminação e a força motriz. São responsáveis por uma forte influência no comportamento do factor de potência (figura 3.2).
Causas e consequências de um baixo factor de potência 21
Figura 3.2 - Fragmentação dos consumos de electricidade pelas principais cargas no sector indústria e
terciário [15].
3.2.1 - Principais causas de um baixo factor de potência
Identificado os dois sectores de importante consumo energético (industria e terciário) e sabendo que a iluminação e força motriz são as principais causas de um baixo factor de potência numa instalação eléctrica, torna-se importante identificar o tipo de equipamentos instalados nesses sectores.
A figura 3.3, ilustra-nos, os tipos de equipamentos de força motriz instalados nos sectores da indústria e terciário.
Figura 3.3 - Fragmentação dos consumos de electricidade tipos de equipamentos de força motriz [15].
Sendo a força motriz, a origem mais relevante para o problema, são assim mencionadas a seguir, as principais causas de um baixo factor de potência numa instalação terciária/industrial.
Os receptores responsáveis pelas principais causas de um baixo factor de potência, são os seguintes:
Motores trabalhando acima da sua capacidade de carga;
Motores trabalhando em vazio durante grandes períodos de tempo; Motores com variação de velocidade;
22 Compensação do Factor de Potência
Motores de baixa potência Rectificadores a tirístores Fornos de indução
Transformadores ligados em vazio durante grandes períodos de tempo;
Transformadores sobre dimensionados, alimentando pequenas cargas durante grandes períodos de tempo.
Elevado número de receptores de ar condicionado. Elevado número de motores de baixa potência.
Lâmpadas de descarga como: vapor de sódio, vapor de mercúrio, fluorescente, economizadoras.
A tabela 3.1, ilustra-nos alguns exemplos de equipamentos de funcionamento eléctrico e sua diversidade dos factores de potência.
Tabela 3.1 — Diferentes cargas e diversidade dos factores de potência
Pela ilustração da tabela acima, verificamos uma grande variação do factor de potência, em relação a algumas cargas, de utilização frequente no dia-a-dia.
Causas e consequências de um baixo factor de potência 23
3.2.2 - Principais consequências de um baixo factor de potência
3.2.2.1 - Perdas de energia na instalação
As perdas nos condutores de uma instalação são proporcionais ao quadrado da corrente . Essa corrente aumenta com o excesso de energia reactiva numa instalação. Estabelece-se uma relação entre as perdas e o baixo factor de potência, provocando assim um aumento do aquecimento de equipamentos e condutores da instalação.
3.2.2.2 - Capacidade instalada
O excesso de potência reactiva numa instalação eléctrica, dificulta-nos a utilização da capacidade máxima da instalação para que foi dimensionada. Limitando a instalação de novas cargas, e obrigando a novos investimentos que seriam evitados se o factor de potência apresentasse valores mais altos (próximo de 1).
A potência ocupada pela energia reactiva numa instalação eléctrica, pode vir a prejudicar os cabos, os barramentos e repartidores, os bornes e pontos de ligação dos seus equipamentos, causado pelo aumento da corrente na instalação, podendo nalguns casos, atingir perigosamente o seu limite.
Os investimentos envolvidos na ampliação de instalações existentes, estão relacionados principalmente com a aplicação de transformadores, condutores, barramentos.
A tabela 3.2, ilustra-nos a variação da secção de um condutor e seu diâmetro, em função do factor de potência. Por exemplo: verifica-se que a secção necessária para um factor de potência 0,7 será mais do dobro da secção para um factor de potência 1.
Verifica-se, como é notável a elevada influência de um baixo factor de potência nos cabos de uma instalação eléctrica. O aumento da secção dos cabos vem das elevadas perdas e aumento da corrente, provocado pelo trânsito de potência reactiva na instalação eléctrica (tabela 3.2).
24 Compensação do Factor de Potência
Tabela 3.2 — Variação da secção de um condutor e seu diâmetro, com o factor de potência Cos .
Nalguns casos o investimento torna-se mais avultado, devido à necessidade de redimensionamento de novos transformadores e quadros eléctricos. Implicando por vezes, a aquisição de novos elementos. Não nos devemos esquecer que os transformadores a serem instalados, devem atender à potência total dos equipamentos utilizados. Mas devido à presença de potência reactiva, a sua capacidade deve ser calculada com base na potência aparente (S) das instalações.
A tabela 3.3, ilustra-nos a da potência total (S) que deve ter um transformador, para servir uma carga útil de 1000kW para valores crescentes de factor de potência.
Tabela 3.3 — Variação da potência aparente em relação ao factor de potência
Pela análise dos dois quadros, podemos concluir que o factor de potência por si só, liberta a capacidade de instalação de novos equipamentos, sem que sejam necessários investimentos em transformadores ou substituição de condutores para esse fim.
Causas e consequências de um baixo factor de potência 25
3.2.2.3 - Quedas de tensão
O aumento da corrente devido ao excesso de energia reactiva, leva a um aumento acentuado de queda de tensão, podendo provocar falhas no fornecimento de energia eléctrica e sobrecarga em determinados equipamentos da rede. Esse risco, agrava-se durante os períodos nos quais a rede eléctrica é fortemente solicitada (hora de ponta). Uma queda de tensão elevada, provoca um aumento da corrente nos motores e uma diminuição e intermitência da intensidade luminosa das lâmpadas.
3.2.2.4 - Tipologia das instalações
Numa instalação eléctrica, o factor de potência poderá variar com a tipologia da instalação. Podemos ter apreciáveis variações de factores de potência em instalações de tipologias semelhantes.
Por exemplo, nos edifícios terciários administrativos há, computadores, iluminação fluorescente e elevadores. No entanto, o tipo de funcionalidade e eficiência, em relação à sua qualidade energética, podem alterar significativamente o factor de potência.
3.3 - Vantagens da correcção do factor de potência
Para ultrapassar os problemas e as causas provocadas por um baixo factor de potência, devemos elevar ou manter o seu valor muito próximo de 1 (cos entre 0,95 e 1). Pode-se com estes valores (cos ), obter grandes melhorias em toda a instalação, como as que são mencionadas a seguir.
3.3.1 - Melhorias na tensão
O aumento da qualidade na estabilidade da tensão é resultante de uma boa correcção do factor de potência, consegue-se uma diminuição de corrente, influenciada pela introdução de baterias de condensadores, reduzindo a queda de tensão numa instalação eléctrica. Permite-nos, em qualquer ponto da instalação, obter uma tensão igual à da fonte geradora, ou seja, no secundário de um transformador (BT).
3.3.2 - Redução das perdas
Na maioria dos sistemas de distribuição de energia eléctrica para edifícios terciários, as perdas variam de 2,5 a 7,5% dos kWh da carga, dependendo das horas de trabalho a pleno desempenho, do tipo de condutores e comprimento, dos alimentadores e circuitos de distribuição.
Temos então uma redução percentual das perdas, apresentada pela seguinte expressão:
(3.2)
Na figura 3.4, supõe-se, que a potência original da carga é constante. Se o seu factor de potência for melhorado para libertar capacidade do sistema e, com isso, ligado à carga máxima permitida, com corrente total igual, as perdas serão também as mesmas. No entanto,
26 Compensação do Factor de Potência
a carga máxima em kW será maior e como consequência, a percentagem das perdas no sistema será menor.
Figura 3.4 - Redução percentual das perdas em função do factor de potência [16]
Por vezes torna-se útil conhecer a percentagem das perdas em função da potência aparente (S), potência reactiva (Q) da carga e da potência reactiva do condensador (Qc). Ver fórmula seguinte.
(3.3)
3.3.3 - Vantagens para os consumidores
Um bom factor de potência permite optimizar uma instalação eléctrica tirando partido das seguintes vantagens:
Melhoria dos níveis de tensão no fim de linha (redução das quedas de tensão); Aumento da eficiência energética da empresa;
Redução significativa do custo de energia eléctrica (reactiva);
Redução do efeito de Joule (aquecimento nos cabos e equipamentos); Redução da corrente reactiva na rede eléctrica;
Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra; Aumento da vida útil das instalações e equipamentos; Diminuição de potência contratada.
3.3.4 - Vantagens para os fornecedores de energia
No caso do fornecedor de energia, um bom factor de potência permite-lhe melhorias significativas nos seguintes pontos:
Diminui as perdas pelo efeito de Joule;
Aumenta a capacidade do sistema de transmissão e distribuição de energia, para maior condução de potência activa;
