CÍCERO EDUARDO DE MELO
ANÁLISE E ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA PARA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA UFERSA, CAMPUS CARAÚBAS.
CARAÚBAS/RN 2018
ANÁLISE E ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA PARA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA UFERSA, CAMPUS CARAÚBAS.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA, Campus Caraúbas, para a obtenção do Título de Bacharel em Ciência e Tecnologia. Orientador: Prof. Ms. Juan Rafael Filgueira Guerra.
CARAÚBAS/RN 2018
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D528a DE MELO, CICERO EDUARDO.
ANÁLISE E ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA PARA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA UFERSA, CAMPUS CARAÚBAS / CICERO EDUARDO DE MELO. - 2018.
66 f. : il.
Orientador: JUAN RAFAEL FILGUEIRA GUERRA. Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Curso de Ciência e Tecnologia, 2018.
1. DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO. 2. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. 3. DESPERDÍCIO DE ENERGIA. 4. DIMENSIONAMENTO LUMINOTÉCNICO. I. GUERRA, JUAN RAFAEL FILGUEIRA, orient. II. Título.
ANÁLISE E ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA PARA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA UFERSA, CAMPUS CARAÚBAS.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA, Campus Caraúbas, para a obtenção do Título de Bacharel em Ciência e Tecnologia. Orientador: Prof. Ms. Juan Rafael Filgueira Guerra.
APROVADO EM: 18 / 04 /2018
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________ Prof. Ms. Juan Rafael Filgueira Guerra - UFERSA
Presidente
_____________________________________________ Prof. Ms. Rodrigo Prado de Medeiros - UFERSA
Membro
_____________________________________________ Prof. Dr. Hugo Michel Câmara de Azevedo Maia - UFERSA
Dedico este trabalho a minha família, em especial aos meus pais que tanto amo Antônio Francisco Costa de Melo e Maria Vanilda da Conceição Melo.
Primeiramente a Deus pelo dom da vida e por me proporcionar um caminho de fé e perseverança que foi fundamental para a realização de mais um sonho pessoal.
A minha família que é a base do meu crescimento, sendo meus pais Antônio Francisco e Maria Vanilda os maiores exemplos de vida e amor, que por muitas vezes desistiram dos seus sonhos para viverem o meu.
A meus irmãos Evanildo, Eleneide, Elizabete, Tiago, Elieudo e Edenildo que sempre estão presentes nos momentos de dificuldades, e juntos torcem pelo meu sucesso.
A meu orientador em especial, Juan Rafael Filgueira Guerra, por toda atenção, orientação, sabedoria e apoio dado para a realização do presente trabalho.
A meus amigos, Gessiane, Ivandra, Sabrina e Raí que também são fundamentais em minha trajetória de vida e acadêmica, pois estão sempre incentivando meus sonhos.
A meus colegas de estudo que posso dizer irmãos, Ermeson Cordeiro, Guilherme Rocha, Larisa Miranda, Rokátia Marinho, Laís Gabriela, Matheus Nobre, Mateus Bruno, Pedro Moises, Wisla Milena, José Sátiro, Thaís Shaiva, Maria Eduarda, Alison Johnata e Maria Eliza, que sempre se fazem presente diariamente e contribuem diretamente ou indiretamente.
A todos os docentes que colaboraram com conhecimentos repassados, o que resultou para o meu crescimento acadêmico.
“Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível.”
RESUMO
O presente trabalho refere-se a análise e estudo de luminotécnica para eficiência energética na UFERSA (campus Caraúbas), por meio da elaboração de um diagnóstico energético, que trata sobre as análises técnicas e sistemáticas de uma edificação. Sendo assim, objetiva-se melhorar o desempenho energético da instituição. Vale ressaltar que a demanda por energia elétrica no Brasil, cresce de forma surpreendente a cada ano e, com isso, aumenta a necessidade de novas usinas para a geração adicional de energia. A partir dessa necessidade, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) vem enfatizando a importância dos Programas de Eficiência Energética (PEE) com o intuito de reduzir o consumo exagerado de energia. Em virtude disso, será apresentado um levantamento dos principais fatores de desperdício de energia elétrica, e, em seguida, será elaborado nos blocos I e II de aulas e nos blocos I e II de professores da UFERSA, o dimensionamento luminotécnico através do Método de Lumens. Dessa forma, será verificado se o número de luminárias está adequado conforme as dimensões e características do local.
Palavras-chave: Diagnóstico Energético. Eficiência Energética. Desperdício de Energia. Dimensionamento Luminotécnico.
ABSTRACT
The present research refers to the analysis and study of lighting for energy efficiency at UFERSA (campus Caraúbas), through the elaboration of an energy diagnosis, which deals with the technical and systematic analysis of a edification. In this way, the objective is to improve the energy performance of the institution. It is important to emphasize that the demand for electric energy in Brazil, grows surprisingly every year and, because of it, the need for new power plants for the additional generation of energy increases. Based on this need, the National Electric Energy Agency (ANEEL) has emphasized the importance of Energy Efficiency Programs (PEE) in order to reduce the excessive consumption of energy. As a result of this, a survey about the main factors of wastage of electric energy will be presented, and then will be elaborated in buildings I and II of classes and in the professor’s department I and II of UFERSA, the lighting design through the Lumens Method. From this, it will be verified whether the number of luminaires is adequate according to the dimensions and characteristics of the place. Keywords: Energy Diagnosis. Energy Efficiency. Waste of Energy. Lighting Design.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Triângulo de Potência ... 19
Figura 2 - Etapas para elaboração do Diagnóstico Energético ... 25
Figura 3 - Funcionamento de um transformador ... 31
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características das lâmpadas ... 36
Tabela 2 – Exemplos de eficiência luminosa ... 37
Tabela 3 - Iluminâncias recomendadas pela NBR 5413... 39
Tabela 4 - Índices de reflexão... 40
Tabela 5 - Fator de utilização (u) para luminárias com lâmpadas incandescentes ... 40
Tabela 6 - Fator de utilização (u) para luminárias com lâmpadas fluorescentes ... 41
Tabela 7 - Valores usuais do fator de depreciação ... 41
Tabela 8 - Tensão de Fornecimento - Grupo A ... 44
Tabela 9 - Principais equações para o cálculo luminotécnico ... 47
Tabela 10 - Equivalência de cores e tonalidades para diferentes fabricantes ... 47
Tabela 11 - Características dos cômodos do bloco de aulas 1 ... 50
Tabela 12 - Cálculo luminotécnico para o bloco de aulas 1 (luminárias Osram 32 W T10 com duas lâmpadas) ... 51
Tabela 13 - Valores de luminárias Existentes x Obtidos (Bloco de aula 1) ... 52
Tabela 14 - Características dos cômodos do bloco de aulas 2 ... 53
Tabela 15 - Cálculo luminotécnico para o bloco de aulas 2 (luminárias Osram 32 W T10 com duas lâmpadas) ... 54
Tabela 16 - Valores de luminárias Existentes x Obtidos (Bloco de aula 2) ... 55
Tabela 17 - Caracterização dos cômodos do bloco de professores 1 ... 56
Tabela 18 - Cálculo luminotécnico para o bloco dos professores 1 (luminárias Osram 40 W T12 com duas lâmpadas)... 57
Tabela 19 - Valores de luminárias Existentes x Obtidos (Bloco dos professores 1) ... 58
Tabela 20 - Caracterização dos cômodos do bloco de professores 2 ... 60
Tabela 21 - Calculo luminotécnico para o bloco dos professores 2 (luminárias Osram 40 W T12 com duas lâmpadas)... 61
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Curva típica de fornecimento de potência de uma concessionária ... 20 Gráfico 2 - Consumo em horas de energia elétrica de 20 lâmpadas incandescentes com 100W de potência ... 21 Gráfico 3 - Potência Instalada de Energia Elétrica no Brasil ... 23
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO GERAL...14 2 OBJETIVOS...15 2.1 OBJETIVO GERAL...15 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...15 3 REFERENCIAL TEÓRICO...16 3.1 DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO...16
3.2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E CONSERVAÇÃO DE ENERGIA...16
3.3 PARÂMETROS UTILIZADOS NO DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO...18
3.3.1 Fator de Potência, Consumo e Demanda...18
3.3.1.1 Fator de Potência...18
3.3.1.2 Consumo...20
3.3.1.3 Demanda...22
3.3.2 Potência Instalada e Fator De Carga...23
3.3.2.1 Potência Instalada...24
3.3.2.2 Fator de Carga...24
3.4 PLANEJAMENTO DE UM DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO...25
3.5 ANÁLISES TÉCNICAS ...26
3.5.1 Introdução...26
3.5.2 Eficiência de Motores e Transformadores...27
3.5.2.1 Principais custos de Motores...27
3.5.2.2 Superdimensionamento de motores...28
3.5.2.3 Subdimensionamento de motores………...30
3.5.2.4 Principais Ensaios de Transformadores...30
3.5.2.5 Principais Perdas nos Transformadores...31
3.5.2.6 Ensaios em Curto-Circuito...32
3.5.2.7 Ensaios em Vazio...33
3.6 DIMENSIONAMENTO DE CABOS CONDUTORES...34
3.7 ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA ...35
3.7.1 Tipos de Lâmpadas...35
3.7.1.1 Conceitos e grandezas fundamentais...37
3.7.2 Cálculo Luminotécnico...38
3.8.1 Enquadramento Tarifário...43
3.8.1.1 Classificação dos Consumidores...43
3.8.2 Estudo de Demanda Contratada...44
3.8.2.1 Estrutura Tarifária...44
4 METODOLOGIA APLICADA AO ESTUDO DE CASO, CAMPUS CARAÚBAS...45
4.1 CONSTRUÇÃO DO DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO...45
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES...49
5.1 CARACTERIZAÇÃO DO BLOCO DE AULAS...49
5.2 CARACTERIZAÇÃO DO BLOCO DE AULA 2...52
5.3 CARACTERIZAÇÃO DO BLOCO DE PROFESSORES 1...55
5.4 CARACTERIZAÇÃO DO BLOCO DOS PROFESSORES 2...59
6 CONCLUSÃO...64
6.1 TRABALHOS FUTUROS...64
1 INTRODUÇÃO GERAL
A expansão acentuada do consumo de energia ocorre em todo o mundo trazendo consigo preocupações quanto aos problemas que esta pode causar ao meio ambiente, bem como, a possibilidade de esgotamento dos recursos utilizados para a produção de energia (ANNEL, 2008).
No Brasil, as hidrelétricas são os principais meios de geração de energia elétrica devido no país, em alguns pontos, apresentarem abundância em recursos hídricos, no entanto, tal produção traz impactos ambientais negativos durante sua implantação, operação e transmissão. A construção de barragens e a formação de reservatórios implicam tanto no desmatamento de áreas florestais quanto na perca da fauna terrestre e aquática, gerando desiquilíbrio no ecossistema e consequentemente afetando na economia local (SILVA; NASSAR, 2016).
Nesse contexto, o diagnóstico de eficiência energética surge como uma alternativa em razão da redução do desperdício de energia. Assim, é possível evitar ou adiar a construção de novas usinas para geração adicional de energia e garantir a preservação do meio ambiente sem afetar a qualidade de vida e desenvolvimento econômico do país (ANNEL, 2008).
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) (2008), no Brasil as ações respectivas a eficiência energética são aplicadas de maneira sistemática desde 1985, quando o Ministério de Minas e Energia (MME) criou o PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica). Além disso, a legislação também determina que todas as distribuidoras de eletricidade dediquem 0,25% de sua receita operacional líquida a programas e ações que se caracterizem pela eficiência energética.
Conforme isso, o estudo luminotécnico se caracteriza por apresentar se um determinado ambiente está dimensionado com o número de luminárias adequados para o mesmo. Sendo assim, é possível identificar e prover soluções em caso de subdimensionamento ou superdimensionamento através do diagnóstico energético, e assim possibilitar o consumo eficiente de energia elétrica.
Dessa forma, o presente trabalho descreve a análise e o estudo da eficiência energética na UFERSA, campus Caraúbas, através da elaboração do diagnóstico energético, que permite a apresentação de possíveis causas de desperdício de energia, e a elaboração de um estudo luminotécnico nos blocos I e II de aula e nos blocos I e II dos professores.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Analisar e realizar um estudo de luminotécnica para eficiência energética na Universidade Federal Rural do Semi-Árido, campus Caraúbas.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Elaborar o diagnóstico energético na UFERSA, campus Caraúbas; • Identificar os principais fatores de desperdício de energia elétrica;
• Realizar o dimensionamento luminotécnico nos blocos 1 e 2 de aulas e nos blocos 1 e 2 dos professores.
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO
O desenvolvimento humano está fortemente ligado ao uso da energia. Atualmente, a disponibilidade da mesma, em consideração as fontes não renováveis são limitadas, além de que durante a sua exploração, processamento, e uso são causados consideráveis impactos ao meio ambiente (PUCRS, 2010). O consumo de energia elétrica no Brasil tem aumentado de maneira significativa, porém parte desse aumento é ocasionado pelo desperdício (ELETROBRÁS et al., 2009).
A maioria dos consumidores só percebe que estão consumindo exageradamente quando a tarifação da sua energia aumenta em consequência do desperdício. Embora, tal situação seja fornecida pela concessionária por meio de gráficos de consumo dos meses anteriores, são poucos os consumidores que resolvem verificar o que isso representa em kWh, que é a unidade de medida do consumo de energia, e mais ainda não sabem como ele é cobrado (ELETROBRÁS
et al., 2009).
Dessa forma, para buscar reduzir os problemas decorrentes do desperdício de energia e das eventuais consequências que isso pode causar, é fundamental a utilização do diagnóstico energético antes da realização de qualquer atividade, para só depois estabelecer as prioridades, implantar projetos de melhoria e redução de perdas e acompanhar seus resultados em um processo contínuo (SANTOS et al., 2007).
Diante disso, o diagnóstico energético também conhecido por avaliação de eficiência energética, refere-se a análise técnica e sistemática e holística de um edifício a fim de identificar conceitos para melhorar o seu desempenho energético (ELETROBRÁS et al., 2009).
3.2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
A energia elétrica é um elemento fundamental para o desenvolvimento de uma sociedade. A mesma pode ser obtida através de diferentes fontes e transmitida aos consumidores de todo o mundo por meio de sistemas elétricos complexos (PACHECO, 2006).
A capacidade de oferta de energia elétrica está se tornando inferior a demanda pelo seu consumo. No ano de 2013, o dispêndio de energia elétrica no setor residencial teve um aumento de 6,9% comparado com o ano anterior devido a ampliação da renda da população (EPE, 2017).
Todos os tipos de geração de energia elétrica, desde as fontes renováveis como a hídrica, solar e eólica até as fontes não renováveis como a dos combustíveis fósseis, causam significativos impactos ao meio ambiente por meio da emissão de gases poluentes (como exemplo metano, carbono e óxido nitroso) gerando mudanças no clima da terra e consequentemente acarretando em danos socioculturais e econômicos a sociedade local (PACHECO, 2006). Com isso, a eficiência energética surge como uma alternativa mais efetiva para reduzir os custos e os impactos ambientais (PATTERSON, 1996).
O conceito de eficiência energética é definido pela produção da mesma quantidade de serviços utilizando um consumo menor de energia. Ou seja, é determinado pela razão entre os serviços ou produtos úteis de um processo pela quantidade de energia (PATTERSON, 1996).
Assim, a ANEEL em 24 de julho de 1998 editou a Resolução nº 242, prevendo as concessionárias a obrigatoriedade de investimento em serviços púbicos por meio de ações que envolvam eficiência energética de no mínimo 1% da receita operacional apurada no ano anterior (SANTOS et al., 2007).
Por meio da resolução nº 394 de 17 de setembro de 2001, foram criados critérios para a aplicação de recursos em Projetos de Eficiência Energética (PEE). Com isso, os PEEs passaram a adotar o modelo proposto pelo Manual do Programa de Eficiência Energética (MPEE) que é um guia de procedimentos dirigidos às empresas, para elaboração e execução de programas de eficiência energética condicionados pela ANEEL (ANEEL, 2010).
Além disso, o PROCEL (Programa de Conservação de Energia Elétrica) é considerado o programa de grande importância e de maior continuidade na área de uso eficiente de energia elétrica no Brasil, instituído em 30 de dezembro de 1985 pelos Ministérios de Minas e Energia (MME) e da Indústria e Comércio, sendo executado pela Eletrobrás (SANTOS et al., 2007).
Através de metodologias específicas de pesquisas e resultados e de estimativas de mercado, em 2016 o PROCEL alcançou uma economia de energia de aproximadamente 15,15 bilhões de kWh. Isso significa também, o equivalente à energia fornecida, em um ano, por uma usina hidrelétrica com capacidade de 3.634 MW (Megawatts) (PROCEL, 2017).
Após o PROCEL, surgiu o CONPET (Programa Nacional da Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural) por meio do MME, coordenado e executado pela Petrobrás. Foi criado em 18 de julho de 1991 por decreto presidencial com o objetivo de prevenir o desperdício no uso dos recursos naturais não renováveis no Brasil (SANTOS et al., 2007).
Portanto, estes e outros programas que foram criados ao decorrer dos anos, apresentam resultados que contribuem para a eficiência energética dos bens e serviços, além de possibilitar
o retardamento de investimentos no setor elétrico, na qual garante a redução dos impactos ambientais e possíveis encargos públicos (PROCEL, 2017).
3.3 PARÂMETROS UTILIZADOS NO DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO
3.3.1 Fator de Potência, Consumo e Demanda
Os motores, transformadores e outros equipamentos que necessitam da energia elétrica para o seu funcionamento são responsáveis para o desenvolvimento das atividades do homem no seu dia a dia. Assim, é importante que os seus funcionamentos estejam adequados para que não haja desperdício de energia e consequentemente não se pague a mais pela unidade consumidora (JUNIOR, 2017).
Com isso, o fator de potência apresenta se a energia numa empresa é consumida adequadamente ou não. Através da Resolução ANNEL nº 456, de novembro de 2000, determina-se que o mesmo deve estar o mais próximo possível de 1 (um), mas permite um valor mínimo de 0,92 (ANNEL, 2010).
Diante disso, tendo-se um consumo de energia indesejável alto (energia reativa) e, portanto, um fator de potência abaixo do padrão de eficiência (menor que 0,92), é recomendado diminuir a demanda por meio do dimensionamento correto dos motores e equipamentos elétricos em geral, bem como também a instalação de capacitores (ou banco de capacitores) onde for necessário, para obter a redução no faturamento da conta de energia elétrica (JUNIOR, 2017).
3.3.1.1 Fator de Potência
A potência pode ser definida como a capacidade que os aparelhos possuem para solicitar uma determinada quantidade de energia em curto ou longo tempo, para transformá-la em outro tipo de energia. Assim, para obter a mesma é necessário se ter corrente e tensão e sua unidade é volt-ampère (VA), podendo ser denominada também de potência aparente, que é composta por duas parcelas: potência ativa e potência reativa (JUNIOR, 2017).
A potência ativa é considerada a parcela que é transformada em potência luminosa (lâmpadas), mecânica (ventilador, liquidificador, etc.) e térmica (chuveiro, torradeira e etc.). Sua unidade de medida é watt (W). No entanto, a potência reativa é a parcela transformada em
campo magnético, fundamental ao funcionamento de motores, transformadores e reatores. A unidade de medida é o volt-ampère reativo (Var) (JUNIOR, 2017).
Sendo assim, como a potência ativa é uma parcela da aparente, que é transformada em energia luminosa, térmica ou mecânica, a essa porcentagem que é transformada em outro tipo de energia dá-se o nome de fator de potência. Conforme isso, nos projetos de instalações elétricas prediais, os cálculos são baseados apenas nas potências aparente e ativa (JUNIOR, 2017).
Para calcular o fator de potência é importante conhecer o triângulo de potência apresentado na figura 1.
Figura 1 - Triângulo de Potência
Fonte: Autoria própria (2018).
Sabendo-se que FP é o Fator de Potência, φ o ângulo formado pela potência aparente e potência ativa, P a potência ativa (W), Q a potência reativa (var) e S a potência aparente (VA). Dessa forma, o fator de potência pode ser determinado calculando-se o cosseno de φ, o ângulo entre as potências ativa (P) e aparente (S):
𝐹𝑃 = 𝑐𝑜𝑠 𝜑 = 𝑃
𝑆 (1)
Portanto, se o fator de potência resultante for igual a 1 (um), significa que toda potência aparente é transformada em potência ativa e quanto menor a potência reativa melhor será o rendimento de energia. Nesse contexto, como a potência aparente é a que deve ser entregue a carga para que a mesma funcione, e sendo a potência reativa a parte indesejável, quanto menor esta última for mais a unidade geradora estará entregando a potência necessária. Isso, além de
possibilitar uma menor geração de energia, permite reduzir custos de redução com linhas de transmissão, transformadores e consequentemente, podendo-se evitar multa à concessionária (JUNIOR, 2017).
3.3.1.2 Consumo
O consumo ativo é a quantidade de energia elétrica que é utilizada em qualquer período de tempo. No entanto, em tal período, pode-se ter o consumo nos horários de ponta e fora de ponta em que a fatura cobrada a cerca destes é distinta, sendo no primeiro uma taxa mais elevada (ANNEL, 2010).
Conforme a Resolução ANNEL nº 456, de novembro de 2010, no horário de ponta, o consumo compreende a energia que é utilizada no período de 3 (três) horas consecutivas definidas pela concessionária, com exceção aos finais de semanas (sábados e domingos) e feriados determinados por lei federal (carnaval, dia de finados e etc.). Enquanto que no horário fora de ponta corresponde aos demais horários que não são determinados aos de pico (ponta), como pode-se observar no gráfico 1 (ANNEL, 2010).
Gráfico 1 - Curva típica de fornecimento de potência de uma concessionária
Fonte: Autoria própria (2018).
Além disso, tem-se o consumo reativo que é caracterizado pela energia formada pelas estruturas das cargas indutivas, que não realizam trabalho, mas é cobrado na conta de energia. Com isso, tendo em vista um fator de potência indutivo ou capacitivo, menor que 0,92 da
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 MW Horas
unidade consumidora, o consumo é denominado reativo excedente (ELETROBRÁS et al., 2009).
O consumo de energia elétrica pode então ser definido por meio do produto da potência consumida e o tempo, assim como está apresentado na equação 2. Tal potência compreende todos os aparelhos que estão ligados à rede e o tempo é correspondente à quantidade de horas que estes permanecem conectados. Assim, o consumo indica a quantidade de energia elétrica utilizada cotidianamente por uma casa, bem como também uma empresa, no decorrer do tempo e que essa energia é expressa em Joules que corresponde dimensionalmente a kWh e o consumo medido pela concessionária é em Watts (ELETROBRÁS et al., 2009).
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑙ℎ𝑜 (𝑊) ∗ ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 (ℎ) (2)
Dessa forma, se 20 lâmpadas incandescentes de 100 W cada uma, permanecerem ligadas durante uma hora, significa dizer que o seu consumo final foi de 2.000 Wh ou 2 kWh. Isso mostra que, o consumo de energia elétrica é cobrado de acordo com a potência dos aparelhos que estão ligados e a quantidade de tempo (horas) que eles permanecem ativos (ELETROBRÁS
et al., 2009).
Com isso, o consumo pode ser demonstrado através de gráficos conforme pode-se observar no gráfico 2, que segue o exemplo apresentado anteriormente.
Gráfico 2 - Consumo em horas de energia elétrica de 20 lâmpadas incandescentes com 100W de potência
Fonte: Autoria própria (2018).
0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 k W h Horas
Segundo a ANEEL (2008), o consumo de energia é um grande indicador do desenvolvimento econômico e do crescimento populacional. Ele reflete a capacidade que os indivíduos possuem para adquirirem novos bens e serviços mais avançados, como automóveis (que demandam combustíveis) e objetos eletroeletrônicos (que carecem do acesso a rede elétrica). Essa inter-relação possibilitou um grande aumento do consumo energético mundial.
No Brasil, durante o período de 2000 a 2005, o crescimento do consumo de energia foi de 13,93% devido ao desempenho da economia (ANEEL, 2008). Já nos primeiros seis meses de 2017, o mesmo obteve 233.221 giga watt-hora (GWh), na qual apresentou um acréscimo de 0,4% em relação ao mesmo período do ano de 2016 (EPE, 2017).
3.3.1.3 Demanda
A demanda é a média da soma de todas as potencias ativas (realizam trabalho) e reativas (não realizam trabalho) dos dispositivos elétricos que estão conectados na rede, durante um intervalo de tempo. Com isso, esta potência média é definida em quilowatts (kW) e quilovolt-ampère-reativo (kvar), respectivamente. Ela pode ser calculada dividindo-se a energia elétrica absorvida pela carga num certo intervalo de tempo Δt (no Brasil é igual a 15 minutos por meio do Decreto n° 62724 de 17 de maio de 1968) por esse intervalo de tempo SANTOS et al., 2007). Além disso, de acordo com Viana et al. (2012), a demanda pode ser conhecida também como:
Demanda máxima: que é a demanda de maior valor obtido em um determinado tempo (diário, mensal, anual e etc.).
Demanda média: é a relação entre o consumo de energia elétrica em kWh em um certo tempo e o número de horas desse período.
Demanda medida: é a maior demanda de potência ativa que é analisada através de medição em um intervalo de tempo de 15 minutos durante o período de faturamento, expressa em kW. Demanda contratada: é a demanda de potência ativa disponibilizada pela concessionária no ponto de entrega, conforme o valor e o período de validade no contrato de fornecimento, na qual deverá ser integralmente paga, independente da utilização ou não no período de faturamento, expressa em kW.
Demanda de ultrapassagem: ocorre quando o cliente ultrapassa a demanda contratada em relação a parcela da demanda medida.
Demanda faturável: é o valor da demanda de potência ativa, que é estabelecida por meio de critérios postos para fins de faturamento, com aplicação da respectiva tarifa, expressa em quilowatts (kW).
3.3.2 Potência Instalada e Fator De Carga
A potência instalada é caracterizada pelo somatório de todas as potências elétricas ativa nominal geradas pelas unidades consumidoras de uma central (Hidrelétrica ou outra fonte geradora). Conforme isso, no Brasil no ano de 2009, a ANNEL registrou uma potência instalada de 106.570.116 kW de energia elétrica, através das fontes das Hidrelétricas, Térmicas (que envolve também a Biomassa, Nuclear, Petróleo, Gás e Carvão Mineral), Eólica e Solar. Em 2013, houve um aumento significativo na qual resultou na capacidade instalada de 126.755 MW e no ano de 2017 a mesma alcançou 157.580 MW de energia elétrica (MME, 2009; 2013; 2017). Com isso, percebe-se que o valor da potência instalada continua a crescer com o passar dos anos numa margem expressiva conforme ilustrado no gráfico 3.
Gráfico 3 - Potência Instalada de Energia Elétrica no Brasil
Fonte: ANNEL/MME (2009; 2013; 2017).
Por outro lado, o fator de carga é um indicador que mede a homogeneidade do consumo de energia elétrica. Assim, o seu valor varia entre 0 e 1 e dessa maneira quanto mais próximo de 1 (um) significa que mais similar é o consumo de energia (SCARPIN, 2016).
0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000 180.000 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 P o tên cia In stalad a (MW ) Ano
3.3.2.1 Potência Instalada
A potência instalada de acordo com a resolução normativa nº 414 de 9 de setembro de 2010 da ANEEL, é dada pelo somatório das potências nominais (potência que o motor pode oferecer dentro de suas características nominais) dos aparelhos elétricos instalados na unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento, medida em quilowatts (kW). (ANNEL, 2010).
Com isso, para calcular a potência elétrica instalada é fundamental conhecer quantos aparelhos serão utilizados na edificação e listá-los juntamente com as lâmpadas, para assim estimar o consumo da edificação (JUNIOR, 2017).
3.3.2.2 Fator De Carga
Segundo a resolução normativa nº 414 de 9 de setembro de 2010 da ANEEL, o fator de carga (FC) é definido como sendo a razão entre a demanda média (DMED) e a demanda máxima
(DMAX) da unidade consumidora ocorridas no mesmo intervalo de tempo (Δt) especificado e que
pode ser calculado considerando-se um dia, uma semana, um mês, etc. (ANNEL, 2010).
𝐹𝐶 =𝐷𝑀𝐸𝐷 𝐷𝑀𝐴𝑋 =
𝐷𝑀𝐸𝐷. 𝛥𝑡 𝐷𝑀𝐴𝑋. 𝛥𝑡
(3)
Verifica-se então, que o fator de carga pode ser expresso também pela relação do consumo real de energia ativa em kWh e a demanda máxima (DMAX) em um dado intervalo de
tempo (Δt) conforme apresentado na expressão 4, em que deve-se trabalhar com o fator de carga o mais próximo possível da unidade (VIANA et al., 2012). Assim, quanto mais próximo de 1 (um) estiver o FC, melhor estará sendo utilizada a energia elétrica (ELETROBRÁS et al., 2009).
𝐹𝐶 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐴𝑡𝑖𝑣𝑎 (𝑘𝑊ℎ) 𝐷𝑀𝐴𝑋. 𝛥𝑡
3.4 PLANEJAMENTO DE UM DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO
Entre os vários custos gerenciáveis numa empresa, independentemente de ser no setor industrial ou comercial, a energia passa a ser cada vez mais um fator importante em razão da redução de custos decorrentes do mercado competitivo, pelas incertezas das disponibilidades energéticas ou por restrições ambientais (SANTOS et al., 2007).
Conforme isso, seja qual for o motivo, promover a eficiência energética é usar o conhecimento de forma lógica, para que possam ser criadas técnicas e métodos capazes de melhorar o desempenho energético e reduzir as perdas nos processos de transporte, armazenamento e distribuição de energia (SANTOS et al., 2007).
Diante disso, de acordo com Santos et al. (2007), tais métodos e técnicas podem ser planejadas e postas em prática através de ações como o diagnóstico energético que é elaborado por meio da sequência apresentada na figura 2.
Figura 2 - Etapas para elaboração do Diagnóstico Energético
Fonte: SANTOS et al., (2007).
O levantamento de dados gerais da empresa consiste em identificar a conta de fornecimento de energia elétrica, bem como o consumo, demanda e fator de potência. O estudo dos fluxos de materiais e produtos são feitos por meio do inventário de toda a carga a partir da classificação dos equipamentos que mais consomem. A caracterização do consumo energético é identificada através do levantamento do horário em que ocorre a maior carga (equipamentos conectados à rede de energia) da empresa, além de verificar o que contribui para a demanda de suas instalações (ELETROBRÁS et al., 2009).
Além disso, na avaliação das perdas de energia é feita a análise das máquinas, em que são estudadas se as mesmas possuem bom rendimento e em caso contrário, no desenvolvimento dos estudos técnicos e econômicos das alternativas de redução de perdas, averiguar se é viável a sua substituição na busca de reduzir ou eliminar gastos desnecessários (ELETROBRÁS et al., 2009).
Sendo assim, no processo para a elaboração das recomendações e conclusões, com os resultados desse processamento levantado pelo diagnóstico energético, é possível identifica as principais perdas de rendimento energético, além de ajudar na análise de eventuais soluções que contribuam para amenizar os problemas decorrentes do desperdício de energia e das eventuais consequências que isso pode causar (SANTOS et al., 2007).
3.5 ANÁLISES TÉCNICAS
As análises técnicas são os estudos voltados a dinâmica do mercado em que envolve a movimentação dos preços, com o objetivo de determinar aceitáveis tendências futuras. Por essa razão, são bastante utilizados estudos de padrões gráficos históricos para identificar tais tendências. Com isso, é importante a utilização de análises técnicas pois por meio desta é possível acompanhar e assim prever o desenvolvimento futuro do estabelecimento de preços de mercado e, portanto, decidir o melhor momento de entrada nele (WAWRZENIAK, 2014).
3.5.1 Introdução
O motor é considerado um conversor eletromecânico, na qual baseado em princípios eletromagnéticos, converte a energia elétrica em mecânica, ou vice-versa, quando é denominado gerador. O motor indutivo foi criado por Nikola Tesla no período entre 1882 e 1887, no entanto a máquina M. O. Dolivo-Dobrovolsky, desenvolvida entre 1888 e 1890, é a que mais se assemelha aos modelos atuais. Dessa maneira, os motores elétricos continuam a passar por uma série de transformações e melhorias (VIANA et al., 2012).
O consumo real dos motores elétricos, corresponde às suas perdas internas que variam de 5% a 20% da energia solicitada à rede, e o restante é transformada em energia mecânica (trabalho). Assim, caso o motor não esteja operando em condições favoráveis, essas perdas podem chegar a 40%. No Brasil, os motores de indução são de suma importância na utilização final de energia devido ao seu consumo estimar um valor superior a 30% do total gerado no
País. Conforme isso, toda iniciativa que for elaborada para aumentar o rendimento desses instrumentos trará grande economia para o Brasil (VIANA et al., 2012).
Por outro lado, tem-se também os transformadores, que são dispositivos que transferem a energia elétrica em corrente alternada sob uma tensão de um sistema elétrico para outro, de corrente alternada diferente sob outra tensão na qual não há mudanças na sua frequência, sem praticamente modificar o valor da potência (NISKIER; MACINTYRE, 2013). Dessa forma, os transformadores estão presentes em todo o processo de produção e uso da energia elétrica, incluindo a sua transmissão e distribuição (VIANA et al., 2012).
Os transformadores são equipamentos de grande rendimento energético, no entanto toda energia gerada no país passa por um ou mais, e o repetido processo de compatibilização de níveis de tensão por meio do seu uso acarreta em perdas significativas que devem ser reduzidas. Com isso, estima-se que no Brasil 14% de toda energia elétrica produzida são consideradas perdas (técnicas e comerciais) durante o período de transmissão e distribuição, e que do percentual de perda técnicas, 30% são decorrentes dos núcleos dos transformadores de distribuição (VIANA et al., 2012).
3.5.2 Eficiência de Motores e Transformadores
3.5.2.1 Principais custos de Motores
Szyszka e Americo (2004) ressaltam que quando se fala em motores elétricos, é fundamental destacar os seus custos associados, que são classificados em custos de aquisição e operacional.
O custo de aquisição é o valor pago pelo motor, em que o seu preço pode variar de acordo com o seu tipo (padrão ou alto rendimento). Enquanto, o custo de operação concerne ao valor pago de energia para o seu funcionamento durante todo o seu tempo de vida (SZYSZKA; AMERICO, 2004).
Com isso, o principal custo para adquirir um motor é o aquisitivo, no entanto deve-se levar em consideração o custo operacional que por sua vez pode ser 100 vezes maior que o primeiro. Dessa forma, os motores de alto rendimento se mostram como uma alternativa para a economia de energia em sistemas motrizes, em que sua principal característica é a melhoria em pontos vitais onde se encontram a maioria das perdas (VIANA et al., 2012).
Assim, conforme a Eletrobrás et al. (2009), deve-se estar sempre atento à relação custo-benefício, pois mesmo os motores de alto rendimento serem donos de um preço de compra
maior, outros critérios devem ser levados em consideração. Conforme isso, para decidir a compra de um motor de alto rendimento em comparação a um padrão, pode ser levado em consideração a utilização da equação 5, sendo que kWec representa os quilowatts economizados, cv * 0,7465 são os quilowatts de saída, ηp o rendimento do motor padrão e ηar o rendimento do
motor de alto rendimento.
𝑘𝑊𝑒𝑐 = 𝑐𝑣 ∗ 0,7465 ∗ ( 1 𝜂𝑝 − 1 𝜂𝑎𝑟 ) (5)
Além disso, para calcular a taxa de retorno, pode-se utilizar a expressão 6.
𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑠𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒𝑠 = 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
(6)
Em que o investimento é o valor líquido do capital aplicado e a economia anual é obtida por meio do produto entre os quilowatts de energia economizados (kWec), a quantidade de horas
de operação e a tarifa de consumo.
Portanto, é fundamental na aquisição de motores padrão ou de alto rendimento, analisar todas as variáveis disponíveis como o horário de utilização, consumo e sua eficiência, com o objetivo de avaliar se realmente é vantajoso realizar o investimento (ELETROBRÁS et al., 2009).
3.5.2.2 Superdimensionamento de motores
O superdimensionamento de um motor elétrico ocorre quando a sua potência nominal é bem maior do que a carga mecânica que ele irá operar, ou seja, um motor elétrico maior que o necessário para uma determinada aplicação (ELETROBRÁS et al., 2009).
Segundo a Eletrobrás et al. (2009), as causas mais frequentes do superdimensionamento são:
Desconhecimento da característica mecânica da carga, ou seja, a potência necessária para acionar a máquina ao qual está acoplado; Utilização de excesso de fatores de segurança nos cálculos de projeto: para não correr riscos, o projetista prefere utilizar um fator de segurança maior no cálculo do motor elétrico de acionamento; Especificação de um motor elétrico para atender a cargas que apresentam picos de potência esporádicos. Por exemplo: um motor de 10 cv (cavalos) aciona uma máquina que foi projetada para funcionar com os 10 cv, mas que esporadicamente pode atingir
12 cv de utilização por pouco tempo. O projetista prefere aplicar um motor de 15 cv ou mais, ignorando o fato de que pode ser mais caro um motor funcionar quase que continuamente com carga menor do que aquela para a qual foi projetado; Utilização de margem de segurança em excesso por causa de operações.
Caso seja detectado algum superdimensionamento na aplicação de motores, é imprescindível a realização de medições, pois após a realização de um estudo, a verificação e detecção devem ser uma constante. (VIANA et al., 2012).
Sendo assim, alguns materiais são utilizados para a detecção de superdimensionamento em motores, bem como um alicate amperímetro para a realização da medição da corrente elétrica no motor, um tacômetro para medir a velocidade de rotação do motor e por último, apesar de mais caro e complexo, é o instrumento capaz de obter os resultados mais precisos e confiáveis, o wattímetro para a medição da potência elétrica consumida pelo motor. (VIANA
et al., 2012).
Na utilização do alicate amperímetro, a Eletrobrás et al. (2009) implica que é importante seguir uma sequência de procedimentos:
• O motor deve estar operando com a máxima carga; • As correntes são medidas nas três fases;
• Para encontrar os valores de corrente média, faz-se a média aritmética das três correntes medidas;
• Se as três correntes apresentarem valores muito distintos, pode ser indícios de que o motor está danificado, apresentando um curto-circuito numa das fases;
• O valor médio encontrado deve, então, ser marcado no gráfico com as curvas características do motor em análise. Essas curvas são disponibilizadas pelos fabricantes dos motores.
Após analisar graficamente o nível de carregamento do motor, se os valores obtidos estiverem abaixo de 75%, implica que o motor apresenta sinais de superdimensionamento, já se estiverem abaixo de 50%, o motor deverá ser substituído por outro de capacidade compatível com a carga acionada (ELETROBRÁS et al., 2009).
Quando ocorre superdimensionamento num motor elétrico várias situações desfavoráveis podem acontecer:
Diminuição do fator de potência, provocando a necessidade de instalação de bancos de capacitores para a sua correção; Diminuição do rendimento do motor, embora muitos motores apresentem seu rendimento máximo a aproximadamente 75% da sua carga nominal; Aumento da corrente de partida, o que acarreta maior custo na proteção do motor (ELETROBRÁS et al., 2009).
Diante disso, geralmente para cargas entre 75% e 100% da nominal, o motor pode ser considerado bem dimensionado, na qual apresenta o uso eficiente da energia e evita o seu desperdício.
3.5.2.3 Subdimensionamento de motores
O subdimensionamento também é um problema que apresenta as mesmas consequências acarretadas devido às operações em sobrecarga, causando sobreaquecimento e então a diminuição da vida útil do motor, com possíveis perdas de produção. Entretanto, essa situação é rapidamente percebida e diretamente corrigida (SZYSZKA; AMERICO, 2004).
Com isso, nos motores de menor potência, o rendimento cai de maneira drástica com a diminuição de sua carga. Assim, motores operando a 50% de carga ou menos possuem um rendimento muito inadequado para sua intervenção (SZYSZKA; AMERICO, 2004).
3.5.2.4 Principais Ensaios de Transformadores
Os transformadores são elementos fundamentais no âmbito de aproveitamento de energia, devido a sua facilidade em elevar e reduzir tensões e possuir um alto rendimento. Assim, como para o seu funcionamento não existe peças rotativas, esse equipamento não requer muitos cuidados e tem despesas mínimas na sua manutenção (VIANA et al., 2012).
Tais elementos são constituídos por duas bobinas (B1 e B2) enroladas em um núcleo de
aço-silício. A bobina B1, também conhecida como enrolamento primário ou indutor, é formada
por N1 espiras e está conectado ao alternador A. A corrente alternada I1 que passa por ela gera
no circuito magnético um fluxo de indução alternado. Já a bobina B2, chamada de enrolamento
secundário ou induzido, é envolvida por N2 espiras e está conectada à rede de distribuição
interna. A corrente que passo por ela I2 é formada pela indução a que suas espiras se encontram
Figura 3 - Funcionamento de um transformador
Fonte: Autoria própria (2018).
Teoricamente, o funcionamento de um transformador requer apenas que haja um fluxo comum, variável no tempo, enlaçando dois enrolamentos, em que a tensão do segundo destes, depende da relação de espiras entre o enrolamento primário e o secundário e da tensão aplicada no primeiro (FITZGERALD; KINGSLEY JUNIOR; UMANS, 2006).
Conforme isso, nas suas mais variadas aplicações, tais elementos passam a ter um conjunto de perdas características que devem ser analisadas e para tanto existem vários métodos, porém dois são bastantes utilizados: ensaio em curto-circuito e ensaio a vazio. Geralmente, essas perdas ocorrem quando a energia é transferida do enrolamento primário para o secundário, daí parte dela é dissipada em forma de calor no cobre (condutores do primário e secundário) e no ferro (correntes parasitas ou Foucault e Histerese). Logo, para reduzir essas perdas, é fundamental resfriar o transformador ou instalá-lo em um lugar bem ventilado (AZEVEDO; MOURA, 2012).
3.5.2.5 Principais Perdas nos Transformadores
Dessa maneira, Segundo Viana et al. (2012), antes de apresentar os respectivos ensaios, é necessário conhecer como se dão as principais perdas nos transformadores na qual estão classificadas em:
Perdas de cobre: são decorrentes da energia dissipada nos condutores dos enrolamentos. Quando há a passagem de corrente nos condutores, ocorre o efeito Joule, que consiste na dissipação de energia por meio da sua conversão em energia térmica. Com isso, as perdas variam conforme a carga do transformador e podem ser obtidas através da expressão 7.
Onde P é a perda de cobre, R a resistência elétrica do enrolamento primário ou secundário e I a corrente do primeiro ou secundário.
Perdas de ferro: ocorrem nos transformadores por meio de correntes parasitas ou correntes de Foucault no núcleo, bem como também devido a histerese magnética. Tais correntes, são provocadas devido a passagem do fluxo magnético numa massa metálica (núcleo) do transformador, que impedem a transição de energia do enrolamento primário para o secundário, acarretando no aquecimento do núcleo. Dessa forma, uma alternativa para a diminuição dessas correntes parasitas, é aumentando a resistência do seu núcleo (VIANA et al., 2012).
Por outro lado, as perdas por histerese dependem do material que o núcleo do transformador é constituído. Sendo assim, quando o sentido da corrente alternada no enrolamento primário é invertido, a orientação da polarização do campo magnético circulante no núcleo também é invertida e isso exige o consumo de certa quantidade de energia na forma de calor, ao qual se denomina de perdas por histerese (VIANA et al., 2012).
3.5.2.6 Ensaios em Curto-Circuito
No ensaio a curto-circuito do transformador, geralmente o primeiro a ser realizado, tem-se o objetivo de medir as perdas nos enrolamentos (de cobre), além de possibilitar identificar o seu rendimento. Para isso, o enrolamento do transformador que atua com maior tensão é empregado como primário e o de baixa tensão como secundário, devido a obter-se medições mais confiáveis, quando utilizada tensões elevadas no primário. Isso porque, a corrente nominal, que é a corrente ideal para o funcionamento adequado de um transformador, é atingida logo após ser aplicado um pequeno valor de tensão no primário (AZEVEDO; MOURA, 2012). Neste ensaio, o enrolamento de menor tensão é curto-circuitados enquanto que no primário é inserida uma tensão variável, de modo que a corrente não ultrapasse o seu valor nominal (dado de placa). Além disso, são ligados um wattímetro e um amperímetro ao circuito primário para a realização de algumas medidas (AZEVEDO; MOURA, 2012).
Dessa forma, Azevedo e Moura (2012), afirmam que por meio do amperímetro será obtida a corrente nominal primária (In1), a tensão de curto-circuito (Vcc) e a potência de
curto-circuito (Pcc). Com esses valores, é possível calcular a impedância equivalente (Zeq), a
resistência equivalente (Req) e a reatância equivalente (Xeq) conforme expostos
𝑍𝑒𝑞 = 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝑐𝑐 (8) 𝑅𝑒𝑞= 𝑃𝑐𝑐 𝐼2 𝑐𝑐 (9) 𝑋𝑒𝑞= √𝑍𝑒𝑞2− 𝑅𝑒𝑞2 (10)
Portanto, a resistência equivalente representa unicamente a perda de cobre pelo efeito Joule, em que depende diretamente da carga ligada ao transformador. Assim, todos esses valores calculados são de grande importância para identificar se o mesmo está operando conforme as condições estabelecidas para atuar, e dessa forma prever soluções em caso de pouco rendimento (AZEVEDO; MOURA, 2012).
3.5.2.7 Ensaios em Vazio
Através do ensaio em vazio, é possível determinar as perdas de ferro (núcleo) dos transformadores, sejam ocasionadas por corrente parasita ou histerese, bem como também o seu rendimento. (VIANA et al., 2012).
Para isso, conforme Azevedo e Moura (2012), alimenta-se o enrolamento primário com tensão e frequências nominais, ou seja, os valores que foram projetados para operar e estabelecidos na placa da máquina, enquanto que o enrolamento secundário fica em aberto. A partir disso, é possível através de instrumentos de medições, identificar a tensão nominal (Vn),
corrente de magnetização (Im) e a potência a circuito aberto (Pca). Dessa maneia, com os valores
medidos é possível obter as perdas de ferro (Pfe) no núcleo decorrentes das perdas por corrente
parasita e pela histerese magnética, considerando as perdas pelo efeito Joule nulas, sendo que o enrolamento secundário está em aberto e sua corrente é zero.
𝑃𝑓𝑒 = 𝑃𝑐𝑎 − 𝐼𝑚2∗ 𝑅𝑒 (11) 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑅𝑒 = 𝑉𝑛
𝐼𝑚
(12)
Por fim, o rendimento de um transformador pode ser calculado por meio da razão entre a potência de saída (Pout) e a potência de entrada (Pin).
𝜂 =𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛
(13)
3.6 DIMENSIONAMENTO DE CABOS CONDUTORES
O condutor elétrico é constituído por um corpo de material bom condutor, proposto à transmissão de corrente elétrica. Na maioria das vezes, esse material é formado pelo cobre ou alumínio devido ao seu baixo custo de mercado e por apresentarem melhores características condutoras que os demais (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
Nas instalações elétricas, os cabos e fios são os exemplos mais comuns das aplicações dos condutores. A única diferença entre eles são que, os fios não podem ser instalados em locais que exijam dobras e curvas pois são formados por apenas um fio sólido, maciço, de seção circular, que possui ou não isolamento. Enquanto isso, os cabos são formados pelo conjunto de fios não separados entre si, na qual proporcionam maior flexibilidade e podem ser isolados (com PVC) ou não conforme o seu uso (JUNIOR, 2017).
Figura 4 - (a) Fio; (b) cabo
Fonte: MATTEDE (2018).
O processo de aquisição dos cabos é de fundamental importância quanto a sua qualidade, pois os condutores de segunda, são constituídos pela reutilização de fios de cobre que podem conter altos níveis de impurezas, e até mesmo por materiais isolantes, que provocam interrupção na passagem de corrente e causam curto-circuito, fugas de corrente (“vazamento” da corrente), aquecimento, e consequentemente ocasionam perdas de energia e o aumento da fatura. Portanto, existem as normas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) para garantir a qualidade dos cabos e fios (JUNIOR, 2017).
Os cabos podem ser classificados como unipolares quando são formados por um condutor de fios trançados e coberto por um isolador, e como multipolares quando constituídos por dois ou mais condutores separados, cobertos por uma camada comum (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
O dimensionamento dos condutores deve ser feito conforme a carga estabelecida por cada circuito. O mesmo refere-se a identificar o melhor setor que deve permitir a passagem de corrente elétrica sem haver o excesso de aquecimento e que a queda de tensão seja mantida dentro dos valores permitidos (JUNIOR, 2017). Além disso, tem que haver compatibilidade entre os condutores e a capacidade capacitiva dos dispositivos de proteção contra sobrecargas e curto-circuito (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
Segundo Niskier e Macintyre (2013), após a decisão acerca do setor adequado para o condutor, analisado de acordo com os critérios estabelecidos para a sua aplicação, busca-se escolher o cabo ou fio que melhor se aproxima do setor analisado. Isso possibilita o uso adequado dos condutores, minimizando o seu desperdício.
3.7 ESTUDO DE LUMINOTÉCNICA
A luminotécnica trata-se do estudo dos pontos de luz tanto internos quanto externos numa edificação. Para um melhor ganho de eficiência energética, é fundamental tratar em conjunto a luz natural (solar) e a artificial (lâmpadas), sabendo-se que esta última pode ser adquirida por diferentes tipos de fontes (JUNIOR, 2017).
3.7.1 Tipos de Lâmpadas
São vários os tipos de lâmpadas que podem ser utilizadas numa instalação residencial e, portanto, a escolha dos modelos é feita de acordo com o gosto de cada um, porém é imprescindível lembrar que tais tipos e sua posição é cargo do engenheiro responsável. Dessa forma, diante dos diferentes tipos de lâmpadas tem-se alguns representados na tabela 1, em que ilustra suas principais características, vantagens e desvantagens de uso.
Tabela 1 - Características das lâmpadas Tipo de lâmpada Potência (W) Vida média (h) Vantagens Desvantagens Incandescente comum 40 60 100 150 200 1.000 Iluminação geral e interiores; tamanho reduzido e custo baixo.
Baixa eficiência luminosa; custo de
uso alto; alta produção de calor;
vida média curta.
Mista 160 250 500 6.000 Substitui lâmpadas incandescentes de alta potência; boa vida média.
Custo elevado; demora cinco minutos
para atingir 80% do fluxo luminoso. Vapor de mercúrio 80 125 250 400
15.000 Boa eficiência luminosa; longa vida média.
Custo elevado; demora quatro/cinco minutos para atingir a
emissão luminosa máxima. Fluorescente comum 15 20 30 40 7.500 a 12.000
Ótima eficiência luminosa; baixo custo de funcionamento; boa reprodução de cores; boa
vida média. Custo elevado de instalação (dependendo do tipo de reator) Fluorescente Especial 16 32 7.500 Fluorescente compacta 5 10 15 20 25 40 3.000 a 12.000
Ótima eficiência luminosa; baixo custo; boa reprodução de cores; boa
vida média.
Custo mais elevado que as incandescentes Vapor de sódio alta pressão 50 70 100 150 250 400 18.000
Ótima eficiência luminosa; baixo custo de funcionamento; boa reprodução de cores; longa
vida útil; nenhuma limitação para a posição de
funcionamento; razoável rendimento cromático.
Custo elevado que é amortizado com o uso; demora em torno
cinco minutos para atingir 90% do fluxo luminoso total. Halógenas 20 35 50 75 100
2.000 Iluminação decorativa. Custo de consumo mais elevado. Dicroica 20 35 50 2.000
Baixo custo de substituição devido ao grande número de horas de uso; Iluminação
direcionada e decorativa. Consumo de energia mais elevada; luminosidade quente. Led 1,5 3,0 45.000
Baixo consumo de energia; maior tempo de vida útil;
Fiabilidade (muita disparidade na
4,0 5,0 6,0 7,0
praticamente não há liberação de calor; várias
opções de cor qualidade dos dispositivos), preço mais elevado, razoável qualidade e projeção da luz Fonte: JÚNIOR, (2017).
3.7.1.1 Conceitos e grandezas fundamentais
A luz é uma peculiaridade que pode ser notada por meio da sensação visual de claridade. Já a intensidade luminosa (I) é a potência de radiação luminosa em uma determinada direção, ou seja, é a relação entre ao fluxo luminoso (φ), que sai da fonte até um elemento sólido, e o ângulo deste (ω) (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
𝐼 =φ ω
(14)
O fluxo luminoso é a potência da energia luminosa total disponibilizada por uma fonte de luz capaz de ser percebida pelo olho humano e sua unidade é o lúmen (lm). Desse modo, as lâmpadas apresentam fluxos luminosos de eficiência diferente, de acordo com o seu tipo e potência. Tal eficiência pode ser obtida pela razão do seu fluxo luminoso sobre a potência consumida pela fonte, conforme pode-se observar na tabela 2 (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
Tabela 2 – Exemplos de eficiência luminosa
Lâmpada Potência (W) Fluxo luminoso (lm) Eficiência (lm/W) Incandescente 100 1.380 13,8 Fluorescente 40 3.000 75,0 Multivapores metálicos 2.000 190.000 95,0
Fonte: NISKIER; MACINTYRE, (2013).
Segundo Junior (2017), a iluminância pode ser definida como o resultado da incidência do fluxo luminoso sobre a área de uma determinada superfície. Sabendo-se que E é o iluminamento ou iluminância, em lux (lx), φ o fluxo luminoso, em lúmen (lm) e S a área da superfície, em metro quadrado (m2).
𝐸 = 𝜑 𝑆
(15)
No entanto, é importante ressaltar que na prática, como o seu fluxo luminoso não se encontra distribuído de maneira uniforme na superfície, o iluminamento calculado é considerado o seu valor médio (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
Ao iluminar uma superfície, o reflexo nesta pode ser vista por um observador que poderá ter uma sensação de menor ou maior claridade. A medida dessa claridade na superfície é denominada de luminância, que pode ser calculada pela razão entre a intensidade luminosa da superfície e sua área, sendo L a luminância, em cd/m2, I a intensidade luminosa, em candelas (cd) e S a área da superfície, em metro quadrado (m2). (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
𝐿 = 𝐼 𝑆
(16)
3.7.2 Cálculo Luminotécnico
Para a realização do cálculo luminotécnico, existem quatro fatores fundamentais para serem analisados: a quantidade de luz, o equilíbrio da iluminação, o ofuscamento e a reprodução de cor. Assim, entre as várias metodologias para determinar tal cálculo, o método dos Lumes é o mais empregado em sistemas de iluminação na construção de edifícios (JUNIOR, 2017).
O método de Lumes também conhecido como Fluxo Luminoso, possui a seguinte sequência para ser calculado:
Determinação do nível da iluminância; Escolha da luminária e lâmpadas; Determinação do índice do local; Determinação do coeficiente de utilização da luminária; Determinação do coeficiente de manutenção; Cálculo do fluxo luminoso total (lumens); Ajuste final do número e espaçamento das luminárias (JUNIOR, 2017).
A NBR – 5413 impõe que para identificar os níveis de iluminância, é preciso consultar uma lista, conforme está apresentada na tabela 3, que contém valores da mesma, correspondentes a diferentes atividades, locais e ambientes e optar pela que melhor se aproxima da situação real do projeto (ABNT, 1992).
Tabela 3 - Iluminâncias recomendadas pela NBR 5413
Atividade Iluminâncias
(lx)
Escolas Salas de aula 200 300 500
Quadro negro 300 500 750 Auditórios e Anfiteatros Plateia 150 200 300 Tribuna 300 500 750 Escritórios 300 500 750 Residenciais
Sala de estar Geral 100 150 200
Local (leitura) 300 500 750
Cozinhas Geral 100 150 200
Local (fogão e mesa) 200 300 500
Hall, escada e garagem Geral 75 100 150 Local 200 300 500 Banheiros Geral 100 150 200 Local (espelhos) 200 350 500 Quarto de dormir Geral 100 150 200 Local (espelho e canal) 200 300 500 Fonte: ABNT, (1992).
A escolha da luminária é feita a partir dos seus fatores econômicos, bem como também da sua estética e aparência geral, seu rendimento máximo e pela fácil manutenção. Por outro lado, a determinação do índice local (K) é encontrada pela relação entre as dimensões do local que será iluminado. Onde C é o comprimento do recinto, L a largura do recinto e h a distância da luminária ao plano de trabalho que é determinada através da subtração da altura do pé-direito (h*) pela altura do plano de trabalho (ht) (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
𝐾 = 𝐶 ∗ 𝐿 ℎ ∗ (𝐶 + 𝐿)
(17)
Durante o período de iluminação, parte do fluxo emitido pelas lâmpadas é perdido antes mesmo de chegar na superfície de trabalho. Desse modo, o coeficiente de utilização (u) de uma luminária pode ser compreendido pela relação entre o fluxo luminoso útil que chega na
superfície de trabalho e o fluxo luminoso dissipado na lâmpada (NISKIER; MACINTYRE, 2013).
𝑢 = 𝜑ú𝑡𝑖𝑙 𝜑𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
(18)
Além disso, o coeficiente de utilização (u) pode ser obtido para cada tipo de luminária por meio do índice do local (K) e dos coeficientes de reflexão (30, 50 ou 70) do teto e da parede, que são disponibilizados pelo fabricante através de tabelas como mostra a tabela 4 (JUNIOR, 2017).
Tabela 4 - Índices de reflexão
Teto Branco 0,7 (70%) Claro 0,5 (50%) Médio 0,3 (30%) Parede Branco 0,5 (50%) Claro 0,3 (30%) Médio 0,1 (10%) Fonte: JÚNIOR, (2017).
Conhecendo-se o índice do local e o índice de reflexão das paredes e teto, por meio da tabela 5 e 6, torna-se fácil obter o coeficiente de utilização.
Tabela 5 - Fator de utilização (u) para luminárias com lâmpadas incandescentes
Teto 70 50 30 Parede 50 30 10 50 30 10 30 10 Plano de trabalho 10 10 10 K 0,60 0,31 0,26 0,22 0,30 0,25 0,22 0,25 0,22 0,80 0,37 0,32 0,29 0,37 0,32 0,28 0,31 0,28 1,00 0,43 0,38 0,34 0,42 0,37 0,34 0,37 0,34 1,25 0,48 0,43 0,39 0,46 0,42 0,39 0,42 0,39 1,50 0,51 0,47 0,43 0,50 0,46 0,43 0,45 0,43 2,00 0,57 0,53 0,50 0,55 0,52 0,49 0,51 0,49 2,50 0,60 0,57 0,54 0,58 0,56 0,53 0,55 0,53 3,00 0,62 0,59 0,57 0,61 0,58 0,56 0,57 0,55 4,00 0,65 0,63 0,61 0,63 0,61 0,60 0,60 0,59 5,00 0,66 0,65 0,63 0,65 0,63 0,62 0,62 0,61 Fonte: JÚNIOR, (2017).
A utilização da tabela 5 é especificamente para os tipos de lâmpadas incandescentes.
Tabela 6 - Fator de utilização (u) para luminárias com lâmpadas fluorescentes
Teto 70 50 30 Parede 50 30 10 50 30 10 30 10 Plano de trabalho 10 10 10 K 0,60 0,39 0,33 0,28 0,38 0,32 0,28 0,32 0,28 0,80 0,48 0,42 0,37 0,47 0,41 0,37 0,41 0,37 1,00 0,55 0,48 0,44 0,53 0,48 0,43 0,47 0,43 1,25 0,61 0,55 0,50 0,59 0,54 0,50 0,53 0,50 1,50 0,65 0,60 0,55 0,64 0,59 0,55 0,58 0,55 2,00 0,71 0,67 0,63 0,70 0,66 0,62 0,64 0,61 2,50 0,75 0,71 0,68 0,74 0,70 0,67 0,69 0,66 3,00 0,78 0,75 0,71 0,76 0,73 0,70 0,72 0,70 4,00 0,82 0,79 0,76 0,80 0,77 0,75 0,76 0,74 5,00 0,84 0,81 0,79 0,82 0,80 0,78 0,78 0,77 Fonte: JÚNIOR, (2017).
A tabela 6 é destinada aos tipos de lâmpadas fluorescentes tubulares que são justamente as utilizadas nesse estudo.
Todas as luminárias com o decorrer do tempo, acabam por ficarem expostas a poeiras, em que resulta na diminuição do rendimento de seu fluxo luminoso. Assim, a manutenção é uma alternativa para tentar corrigir esse problema, porém mesmo assim, o rendimento da instalação será reduzido. Portanto, o coeficiente de manutenção (d), é determinado pela limpeza do ambiente e pelo tempo entre cada manutenção como pode ser observado na tabela 7 (JUNIOR, 2017).
Tabela 7 - Valores usuais do fator de depreciação
Tipo de ambiente Período de manutenção (h)
2.500 5.000 7.500
Limpo 0,95 0,91 0,88
Normal 0,91 0,85 0,80
Sujo 0,80 0,66 0,57
Fonte: JÚNIOR, (2017).
Conforme isso, de acordo com Niskier e Macintyre (2013), conhecendo-se os diversos índices é possível obter o cálculo de fluxo luminoso total que será produzido pelas lâmpadas,
em que φ é o fluxo luminoso total, E a iluminância mínima recomendada pela NBR 5413, S a área a ser iluminada com a iluminância (m2), u o coeficiente de utilização e d o coeficiente de manutenção.
𝜑𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝐸 ∗ 𝑆 𝑢 ∗ 𝑑
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Após conhecer o fluxo luminoso total, é fácil encontrar o número de luminárias fundamentais para o local em estudo, na qual n é o número de luminária, φtotal o fluxo luminoso
total e φluminária o fluxo luminoso (depende do tipo e do número das lâmpadas instaladas por
luminárias) emitido por uma luminária.
𝑛 = 𝜑𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝜑𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛á𝑟𝑖𝑎
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Por fim, o espaçamento máximo entre as luminárias, deve ser feito através das orientações fornecidas pelo fabricante.
3.8 TARIFAÇÃO
A energia elétrica tornou-se essencial para a vida do homem no desenvolver das suas atividades do dia a dia, seja na sua residência ou até para a elaboração das tarefas profissionais. Por isso, para manter o uso desse bem de maneira adequada é imprescindível o estabelecimento de tarifas que remunerem o serviço da distribuidora (ANNEL, 2016).
Partindo desse pressuposto, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANNEL) desenvolve mecanismos de cálculo tarifário para partes do setor elétrico como geração, transmissão, distribuição e comercialização, em que é estabelecida uma tarifa por área de concessão (espaço geográfico na qual cada empresa responsável pela distribuição de energia elétrica está situada) (ANNEL, 2016).
Diante disso, entende-se que a tarifa de energia é o preço cobrado por unidade de energia (R$/kWh), e que este preço seja capaz de suprir todos os custos de operação e expansão do sistema elétrico que vão desde a geração até o seu consumo. Com isso, torna-se muito importante conhecer todo o sistema de tarifação para o uso eficiente da energia elétrica (ANNEL, 2016).
