UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ALISON ANDRÉ BONFADA
ANALISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM CONDICIONADORES DE AR SOB A INFLUÊNCIA DE INCRUSTAÇÕES DE PARTÍCULAS E OBSTRUÇÕES NA
UNIDADE CONDENSADORA
Ijuí 2019
ALISON ANDRÉ BONFADA
ANALISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM CONDICIONADORES DE AR SOB A INFLUÊNCIA DE INCRUSTAÇÕES DE PARTÍCULAS E OBSTRUÇÕES NA
UNIDADE CONDENSADORA
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Dr. Maurício de Campos
Ijuí 2019
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por estar comigo durante toda a minha caminhada, e por ter sempre me dado capacitação para não desistir dos meus sonhos e de minhas batalhas.
Agradeço a minha família e a minha namorada, por todo o apoio e os incentivos que me deram para que eu seguisse na carreira superior.
Agradeço a todos os professores por todo o conhecimento que me agregaram em todos esses anos, que será de suma importância em toda a minha formação profissional.
Agradeço ao meu orientador, professor Dr. Maurício de Campos por toda a orientação, auxilio e sugestões que foram essenciais para a elaboração deste trabalho.
Agradeço a todos aos meus amigos e colegas que sempre estiveram comigo durante essa jornada, auxiliando uns aos outros.
“Se o dinheiro for a sua esperança de independência, você jamais a terá. A única segurança verdadeira consiste numa reserva de sabedoria, de experiência e de competência.” (Henry Ford)
RESUMO
O uso de equipamentos de ar condicionado tem sido cada vez mais frequentes, e a quantidade de equipamentos aumenta a cada ano que passa. Devido a isto, o consumo de energia elétrica passa por grandes modificações, trazendo impactos de grande relevância para o sistema elétrico brasileiro. Como forma de reduzir este impacto e evitar grandes investimentos em infraestrutura, tanto na geração quanto na transmissão de energia elétrica e até mesmo na redução da emissão de gás carbônico (CO2), a busca por equipamentos de maior eficiência tem sido cada vez mais frequente. No entanto, não basta apenas os equipamentos serem eficientes, pois a qualidade e a eficiência estão diretamente relacionadas à qualidade da instalação do equipamento e os serviços de manutenção pelas quais o equipamento tem passado. Este trabalho teve como objetivo: trazer dados relacionados ao consumo energético atual, bem como a energia consumida pelos equipamentos condicionadores de ar; trazer os principais métodos e dados técnicos especificados pelos fabricantes dos condicionadores a fim de garantir uma instalação eficiente, e por fim; realizar testes em três equipamentos de ar condicionado, efetuando obstruções na unidade condensadora e analisando os principais fatores que influenciam no consumo de energia e na qualidade energética.
PALAVRAS-CHAVE: Ar Condicionado, Obstruções e Incrustações,
ABSTRACT
The use of air conditioning equipment has been increasingly frequent, and the amount of equipment increases with each passing year. Due to this, the electric energy consumption undergoes major modifications, bringing impacts of great relevance to the Brazilian electrical system. As a way of reducing this impact and avoiding large investments in infrastructure, both in the generation and transmission of electric energy and even in reducing the emission of carbon dioxide (CO2), the search for more efficient equipment has been increasingly frequent. However, it is not enough that equipment is efficient, since quality and efficiency are directly related to the quality of the equipment installation and the maintenance services that the equipment has passed. This work had as objective: to bring data related to the current energy consumption, as well as the energy consumed by the air conditioning equipment’s; to bring the main methods and technical data specified by the manufacturers of the conditioners in order to ensure an efficient installation, and finally; perform tests on three air conditioners, making obstructions in the condensing unit and analyzing the main factors that influence energy consumption and energy quality.
KEY-WORDS: Air Conditioning, Obstructions and Incrustations, Energy
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Consumo de Energia Elétrica por Setores. ... 15
Figura 2 – Projeção de Vendas para os Condicionadores de Ar. ... 16
Figura 3 – Oferta de Energia Elétrica por Fonte, ano 2016. ... 18
Figura 4 – Fluxograma de energia elétrica nacional, ano 2016. ... 19
Figura 5 – Consumo energético por setores. ... 20
Figura 6 – Uso final da energia elétrica no setor residencial. ... 21
Figura 7 – O uso final da energia elétrica pelo setor comercial. ... 22
Figura 8 – Principais tipos de condicionadores de ar presentes nas empresas. ... 22
Figura 9 – O uso final da energia elétrica dos prédios públicos. ... 23
Figura 10 – Principais condicionadores de ar presentes nos prédios públicos. ... 24
Figura 11 – Ar Condicionado do tipo “Janela”. ... 26
Figura 12 – Esquema de um Ar Condicionado do tipo Split. ... 27
Figura 13 – Comparativo entre Sistema Inverter e Convencional. ... 30
Figura 14 – Posse de Ar Condicionado no Setor Residencial. ... 35
Figura 15 – Etiqueta de Conservação de Energia para Condicionadores de Ar. ... 37
Figura 16 – Índices CEE dos condicionadores mais eficientes. ... 39
Figura 17 – Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor. ... 44
Figura 18 – Compressor Hermético Rotativo de 24.000 Btu’s... 46
Figura 19 – Exemplo de Compressor Semi-Hermético. ... 47
Figura 20 – Exemplo de Compressor Aberto. ... 48
Figura 21 – Compressor Monocilíndrico de Ação Simples. ... 50
Figura 22 – Ciclo de Compressão em um Compressor Alternativo. ... 51
Figura 23 – Características Construtivas do Compressor Rotativo. ... 52
Figura 24 – Ciclo de Compressão em um Compressor Rotativo. ... 53
Figura 25 – Espaçamentos Mínimos, Vista Frontal. ... 56
Figura 26 – Espaçamentos Mínimos, Vista Lateral. ... 57
Figura 27 – Espaçamentos Mínimos do Equipamento do tipo “Barril”. ... 58
Figura 28 – Agrupamento de Unidades Condensadoras. ... 59
Figura 29 – Exemplo para o Posicionamento da Unidade Evaporadora. ... 60
Figura 30 – Espaçamentos Mínimos, Unidade Evaporadora. ... 61
Figura 32 – Analisador de Qualidade de Energia Fluke 435. ... 66
Figura 33 – Unidade Evaporadora sob a bancada de testes. ... 67
Figura 34 – Unidade Evaporadora do Equipamento. ... 68
Figura 35 – Unidade Evaporadora do Equipamento (GREE). ... 71
Figura 36 – Unidade Condensadora do Equipamento (GREE). ... 71
Figura 37 – Unidade evaporadora sob a bancada de testes. ... 75
Figura 38 – Unidade Condensadora do Equipamento. ... 75
Figura 39 – Variação de Potência Ativa. ... 78
Figura 40 – Variação da Corrente Elétrica. ... 79
Figura 41 – Variação da Eficiência Energética. ... 80
Figura 42 – Variação do Consumo Energético. ... 81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Limites para Harmônicos de Corrente por Classe. ... 33
Tabela 2 – Coeficientes de Eficiência Energética em Condicionadores de Ar. ... 38
Tabela 3 – Limites de Temperaturas de Trabalho. ... 48
Tabela 4 – Comparativo entre o Compressor Rotativo x Alternativo. ... 53
Tabela 5 – Dados técnicos do fabricante (Equibrás). ... 67
Tabela 6 – Dados técnicos do equipamento em função da obstrução. ... 68
Tabela 7 – Dados técnicos do fabricante (GREE). ... 70
Tabela 8 – Dados técnicos do Equipamento em Função da Obstrução. ... 72
Tabela 9 – Dados técnicos do fabricante (Super Split). ... 74
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT Associação Brasileira de Normas TécnicasANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BEN Balanço Energético Nacional
CEE Coeficiente de Eficiência Energética
CGIEE Comitê Gestor de Índices de Eficiência Energética ENCE Etiqueta Nacional de Conservação de Energia EPE Empresa de Pesquisa Energética
IEA Agência Internacional de Energia IEC Comissão Eletrotécnica Internacional
IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia ONS Operador Nacional do Sistema
PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem
PROCEL Programa de Conservação de Energia Elétrica PRODIST Procedimentos de Distribuição
RTQ Regulamento Técnico de Qualidade THD Distorção Harmônica Total
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 Objetivos do Tema ... 16
1.2 Estrutura do Trabalho ... 17
2 BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL ... 18
2.1 Analise do Consumo de Energia Elétrica Nacional ... 18
2.2 Análise de Consumo de Energia Elétrica por Setores ... 20
3 DEFINIÇÕES DE CONDICIONADOR DE AR ... 25
3.1 Expansão Direta... 25
3.2 Expansão Indireta ... 25
3.3 Condicionadores de Ar de Expansão Direta ... 26
3.3.1 Condicionador de Ar tipo “Janela” ... 26
3.3.2 Condicionador de Ar tipo Split ... 27
3.3.2.1 Tecnologia Inverter ... 29
3.3.3 Distorções Harmônicas ... 31
3.3.3.1 Efeitos das Correntes Harmônicas ... 32
3.3.3.2 Norma IEC 61000-3-2 ... 32
3.4 Índices de Vendas de Condicionadores do tipo Split e “Janela” ... 33
3.5 O Programa Brasileiro de Etiquetagem ... 35
3.5.1 PROCEL EDIFICA ... 40
3.6 Efeitos dos Condicionadores de Ar no Sistema Elétrico Nacional ... 41
4 O CICLO DE REFRIGERAÇÃO ... 43
4.1 O Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor ... 43
4.2 Compressores e a sua função nos Sistemas de Refrigeração ... 45
4.2.1 O Compressor Alternativo ... 49
4.2.2 O Compressor Rotativo ... 51
5 FATORES TÉCNICOS QUE INFLUENCIAM NA EFICIÊNCIA DOS EQUIPAMENTOS ... 55
5.1 Instalação da Unidade Condensadora ... 55
5.1.1 Condensadoras do tipo “Convencionais” ... 56
5.1.2 Condensadoras do tipo “Barril” ... 57
5.2 Instalação da Unidade Evaporadora ... 60
6 ENSAIOS, MEDIÇÕES E RESULTADOS ... 65
6.1 Critérios para a realização do Ensaio e Medições ... 65
6.1.1 Instrumento de Medição ... 65
6.1.1.1 Analisador Qualidade de Energia Fluke 435 ... 66
6.2 Condicionador de Ar Equibrás Air Max 9 ... 67
6.2.1 Potência Ativa ... 68
6.2.2 Corrente ... 69
6.2.3 Tensão ... 69
6.2.4 Coeficiente de Eficiência Energética ... 69
6.2.5 Fator de Potência ... 69
6.2.6 Consumo de Energia Elétrica ... 70
6.3 Condicionador de Ar Gree GWHN09DAND1A3A/I ... 70
6.3.1 Potência Ativa ... 72
6.3.2 Corrente ... 72
6.3.3 Tensão ... 73
6.3.4 Coeficiente de Eficiência Energética ... 73
6.3.5 Fator de Potência ... 73
6.3.6 Consumo de Energia Elétrica ... 73
6.4 Condicionador de Ar Super Split AS-09HR2SYDDK00 ... 74
6.4.1 Potência Ativa ... 76
6.4.2 Corrente ... 76
6.4.3 Tensão ... 77
6.4.4 Coeficiente de Eficiência Energética ... 77
6.4.5 Fator de Potência ... 77
6.4.6 Consumo de Energia Elétrica ... 77
6.5 Analise dos Resultados ... 78
6.5.1 Potência Ativa ... 78
6.5.2 Corrente Elétrica ... 79
6.5.3 Coeficiente de Eficiência Energética ... 80
6.5.4 Consumo de Energia Elétrica ... 81
7 CONCLUSÃO... 83
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ... 84
1 INTRODUÇÃO
Nos dias atuais, a população tem se tornado cada vez mais dependente de tecnologias que trazem conforto e bem-estar em suas vidas. O que há poucos anos atrás eram equipamentos de luxo, que pessoas com melhor situação financeira podiam obter, hoje estão se tornando essenciais a população. Um exemplo disso é a popularização da utilização de equipamentos de ar condicionado.
O ar condicionado foi criado em 1902 por Willis Carrier, um engenheiro de 25 anos formado pela Universidade de Cornell. Carrier inventou o processo mecânico, cujo objetivo era garantir o condicionamento do ar em uma empresa de impressões de Nova Iorque, com o intuito de reduzir as altas cargas térmicas presentes no local. Porém, este equipamento era de grande porte, e sua utilização, não era viável fora do ramo industrial.
Com o tempo, esses aparelhos foram sendo aprimorados, com destaque a redução nas suas dimensões e melhora de sua eficiência, o que permitiu utilizá-los em residências, automóveis e outros ambientes.
No entanto, nos dias atuais, apesar do conforto e benefícios que estes aparelhos podem trazer, os mesmos têm causado significativo impacto no consumo de energia elétrica. Assim, por tornar-se um produto mais acessível, ele acabou se destacando como um objeto de necessidade, tanto que, segundo dados da Agência Internacional de Energia, a utilização de aparelhos de ar condicionado em residências nos países em desenvolvimento como o Brasil, era de 5% em 1995 e cresceu para 70% em 2004. Nesse contexto, o Brasil está em terceiro lugar no
ranking mundial de utilização e instalação de aparelhos condicionadores de ar de
janela, atrás apenas dos Estados Unidos e da Índia, e ainda, em nono lugar quando se fala em splits (LIMA, 2017). Em termos de toneladas de refrigeração, ouve crescimento de 211% nos últimos 10 anos no Brasil, superando em 2007 a marca de 1,3 milhões de toneladas de refrigeração (PORTAL DA REFRIGERAÇÃO, 2013).
Segundo a EPE (2018), entre 2005 e 2017, o consumo de energia elétrica no setor residencial passou de 83 TWh para 134 TWh, crescimento aproximado de 61% no período destacado. Este crescimento foi influenciado também, pela elevação do uso dos equipamentos condicionadores de ar. Estima-se que o consumo de energia
elétrica por equipamentos condicionadores de ar no setor residencial tenha aumentado cerca de 237% nos últimos 12 anos, atingindo 18,7 TWh em 2017.
Segundo uma notícia publicada pelo jornal O Globo (2015), o diretor geral da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) daquele período, Eng. Reive Barros, afirmou que o horário de pico de energia no país está se deslocando para as 15 horas, e isso se deve principalmente ao aumento da utilização dos sistemas de ar condicionado.
Por um lado têm-se a facilidade de aquisição desse tipo de aparelho, mas por outro lado existe uma falta de conhecimento técnico específico sobre o dimensionamento e instalação correta deste tipo de equipamento. Isto acaba por resultar em sistemas não eficientes, com altos índices de consumo de energia elétrica, capacidade de climatização do ambiente inadequado e muitas vezes a redução da vida útil do equipamento.
Considerando que o consumo de energia do país está aumentando a cada ano, e apesar de que sua matriz energética é predominantemente concentrada em fontes renováveis, como por exemplo oriunda de usinas hidrelétricas que são responsáveis por 68,1% de toda a energia gerada (EPE, 2017), deve-se ficar atento a possíveis crises energéticas futuras. Como agravante, os períodos de alta temperatura onde os aparelhos de climatização são mais exigidos são os mesmos períodos onde ocorre naturalmente escassez ou redução dos níveis dos reservatórios de água das hidroelétricas, desta forma colocando em risco o potencial de geração de energia elétrica nacional.
Uma alternativa para este problema é incrementar a utilização de usinas termelétricas para suprir estes horários. No entanto, o custo além de elevado gera impactos ambientais significativos. A alternativa no sentido, é investir em eficiência energética que, pode prover resultados rápidos e bastante relevantes.
Atualmente, quando se dimensiona um sistema de condicionamento de ar, muitos fatores que influenciam diretamente na eficiência, são deixados de lado, e normalmente o processo todo e simplificado pelo cálculo de quantidade de BTU’s por metro quadrado através de tabelas previamente definidas. Porém, esse tipo de dimensionamento não é eficaz uma vez que deixa de lado fatores importantes que influenciam diretamente no ambiente a ser climatizado. Entre os principais fatores que influenciam pode-se destacar: o nível de incidência solar no ambiente, o número
de pessoas que o ambiente irá alocar o número de equipamento que produzem calor presentes no local, o números e dimensões das janelas, e até mesmo o calor produzido pelo sistema de iluminação.
Além desses elementos normalmente suprimidos pelas empresas responsáveis pela instalação dos aparelhos de ar condicionado, existe ainda, outro fator que impacta neste caso é a própria estrutura do local que na maioria das vezes não dispõe de um projeto adequado de aproveitamento térmico. Isso acaba resultando em um incremento no consumo de energia, e muitas vezes afeta o desempenho da climatização. Desta forma, destaca-se que isto pode ser minimizado com um projeto arquitetônico bem elaborado.
Atualmente, um condicionador de ar do tipo split representa 80% do total das vendas e precisa ter um Coeficiente de Eficiência Energética (CEE) de, pelo menos, 2,6 para ser comercializado no país (JORNAL O ESTADO DE SÃO PAULO, 2017). No entanto, em uma reunião ocorrida na data de 31/08/2017, o Comitê Gestor de Indicadores de Eficiência Energética (CGIEE) do MME propôs a elevação desse índice mínimo exigido dos modelos Split. Neste sentido, a partir de junho do ano de 2020 o índice mínimo será de 3,02, retirando do mercado os equipamentos que atualmente pertencem à classe “C” e “D” do selo PROCEL, o que para os fabricantes, atacadistas e varejistas do setor, será uma barreira a se enfrentar (JORNAL O ESTADO DE SÃO PAULO, 2017). A proposta também estipula níveis mais exigentes para modelos que hoje em dia, têm baixa representatividade no mercado, como o ar condicionado do tipo janela.
Segundo o cronograma, todos os equipamentos do tipo Split com CEE abaixo de 3,02 terão de ser retirados do mercado em um prazo de dois anos a contar da data de aprovação da nova regulamentação. Que é o caso de cerca de 40% dos modelos atuais (JORNAL O ESTADO DE SÃO PAULO, 2017).
A elevação do desempenho dos equipamentos é uma necessidade evidente, tendo em vista o atual panorama energético nacional. Porém, o nível mínimo estabelecido na regulamentação brasileira ainda se mostra tímido se comparado ao praticado em outros países. Os níveis mínimos exigidos atualmente no Brasil são compatíveis apenas com o apresentado atualmente na Índia e com o que havia na china em 2004. A China, porém, em 2010 já elevou tal valor, e vários outros países analisados já apresentam dados superiores aos brasileiros.
O consumo de energia elétrica é crescente no Brasil, bem como na maior parte do mundo, e a projeção futura do consumo de energia elétrica brasileira aponta uma elevação em cerca de 55% até o ano de 2020 (EPE, 2011). Atualmente, o Brasil é o nono maior consumidor de energia elétrica no mundo. Parte considerável da energia consumida em todo o mundo é destinada ao condicionamento artificial do ar. Tal demanda tem se elevado rapidamente nos países desenvolvidos e ainda mais nas economias emergentes de clima quente. No ano de 2005, o condicionamento ambiental já representava 20% do consumo de energia elétrica no setor residencial brasileiro e 47% no setor comercial (ELETROBRÁS, 2009). Na Figura 1, é possível observar os destinos de todo o potencial energético gerado no Brasil, bem como os seus destinos (EPE, 2018).
Figura 1 – Consumo de Energia Elétrica por Setores.
Fonte: EPE (2018).
Sobre o mercado nacional de condicionadores de ar, não há muitas informações qualificadas publicadas. Conforme citado anteriormente uma publicação nacional afirma que o Brasil está em terceiro lugar no ranking mundial de vendas de aparelhos de ar condicionado do tipo janela e em nono lugar quando se fala em
como o quinto colocado em vendas de condicionadores de ar, considerando-os conjuntamente os Splits e os de janela (SEAD, 2013).
Figura 2 – Projeção de Vendas para os Condicionadores de Ar.
Fonte: SEAD (2013).
1.1 Objetivos do Tema
- Elaborar uma análise geral do consumo final da energia elétrica por setores, tendo como o foco principal a energia elétrica consumida pelo condicionamento de ar.
- Obter dados a respeito do desempenho atual dos equipamentos de ar condicionado presentes e comercializados no Brasil comparando-os com os equipamentos presentes no exterior.
- Apresentar normas técnicas correspondentes à instalação correta dos equipamentos e as principais interferências causadas pela negligência dessas normas.
- Constatar por meio de medições e ensaios, a confiabilidade dos índices de eficiência energética e as interferências causadas pela obstrução da unidade condensadora em equipamentos condicionadores de ar.
1.2 Estrutura do Trabalho
Este trabalho apresenta cinco etapas:
Na primeira etapa é realizada uma análise sobre o consumo final da energia elétrica, nos setores residenciais, comerciais e industriais. Dando ênfase ao consumo final de energia por equipamentos condicionadores de ar, apresentando dados sobre o seu crescimento ao longo dos anos e estimativas futuras a respeito do seu uso.
Na segunda etapa apresentam-se as definições de um condicionador de ar, apresentando as suas principais características de funcionamento, os modelos existentes no mercado atual e os índices de vendas destes equipamentos. Ainda nesta etapa, são citados os principais programas de eficiência energética e o impacto causado na eficiência dos aparelhos condicionadores de ar desde a adoção de um índice mínimo de eficiência. Por fim, analisam-se os efeitos ocorridos no sistema elétrico em decorrência do uso excessivo de condicionadores de ar.
Na terceira etapa são apresentados fundamentos importantes sobre o ciclo de refrigeração, dando ênfase ao ciclo de refrigeração a vapor. Nesta etapa também são apresentados os principais tipos de compressores utilizados em condicionadores de ar e suas principais características construtivas.
Na quarta etapa são apresentados os principais fatores que influenciam na eficiência dos equipamentos condicionadores de ar. Nesta etapa serão destacadas as principais instruções técnicas que os fabricantes trazem junto aos seus equipamentos para que os mesmos funcionem de forma eficiente. E por fim, será realizada uma abordagem sobre os fatores que interferem na eficiência de um sistema de ar condicionado.
Na quinta e última etapa, são realizadas medições em 3 equipamentos de ar condicionado de diferentes marcas, realizando obstruções na unidade condensadora dos equipamentos e analisando os valores de consumo energético, potência elétrica, fator de potência, corrente elétrica e eficiência energética. E por fim, são comparados os 3 equipamentos, através de gráficos e tabelas, com os valores anteriores e posteriores as obstruções.
2 BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL
Neste capítulo, serão realizadas as análises e constatações sobre o consumo de energia no setor residencial, comercial e público. Pretende-se a partir de gráficos e dados, demostrar quais os equipamentos que atualmente são os principais consumidores finais da energia. Por fim, é realizada uma análise dos principais equipamentos utilizados individualmente em cada setor destacado.
2.1 Analise do Consumo de Energia Elétrica Nacional
O consumo de energia elétrica no Brasil tem uma parcela significativa ocupada pelos setores industriais, residenciais e comerciais, ou seja, consomem a maior parte de toda a energia produzida. Segundo o relatório do BEN (Balanço Energético Nacional) de 2017, um percentual de 31,5% de toda a energia produzida, é ocupado pelo setor industrial, já o setor residencial é o segundo que mais consome, utilizando 21,4% de toda a energia produzida. Seguido pelas perdas no sistema elétrico (16,1%) e o setor comercial e público que somados resultam em 21,4% de toda a energia produzida (EPE, 2017). Na figura 3, é possível analisar a oferta de energia por fontes no Brasil, e o seu grande potencial hidráulico.
Figura 3 – Oferta de Energia Elétrica por Fonte, ano 2016.
O Brasil é um país com um enorme potencial hídrico, sendo que 68,1% de toda a energia produzida são provindas de usinas hidrelétricas. Já a geração de energia por fontes alternativas são ainda muito baixas, quando somadas, se aproximam de 25% da geração total (EPE, 2017).
A Figura 4 traz o fluxograma da Energia Elétrica no Brasil, nela é possível observar a grande quantidade de energia que é gerada por usinas hidrelétricas e também, os maiores agentes consumidores da energia, sendo liderado pelo setor industrial e seguido pelo setor residencial. E como terceiro maior consumidor de energia está às perdas no sistema elétrico, ou seja, a energia que se perde no sistema pelo efeito Joule, ou seja, devido ao aquecimento dos condutores.
Figura 4 – Fluxograma de energia elétrica nacional, ano 2016.
2.2 Análise de Consumo de Energia Elétrica por Setores
Comparando o consumo final da energia elétrica entre o ano de 2006 até o ano de 2015, é possível observar uma elevação percentual bastante significativa. Apesar de o setor industrial ter certas oscilações devido a recessões e o fechamento de atividades de algumas empresas. De acordo com a EPE (2016) o consumo energético no setor comercial teve um aumento de aproximadamente 65%, no setor residencial houve aumento de 53%, enquanto que no setor público, houve aumento de 29%.
Segundo a Figura 5, pode-se observar que o setor residencial tem um crescimento anual bem linear, assim como o setor comercial e os outros setores (públicos, agropecuários...), eles tendem há crescer um pouco a cada ano, diferente do setor comercial. E isso se deve a muitos fatores, entre elas, as crises que o país vêm enfrentando nos últimos anos, a importação de produtos, os altos preços de produção.
Figura 5 – Consumo energético por setores.
Fonte: EPE (2015).
A Eletrobrás, em 2006, realizou uma pesquisa a qual obteve os índices de consumo industriais, residenciais e comerciais de acordo com os equipamentos presentes em determinados setores. Para cada estado os índices de consumo de determinados equipamentos variam. A região norte é a que mais consomem energia elétrica utilizando equipamentos de ar condicionado, os índices chegam a 40% do consumo total residencial, seguido pela região sul, que corresponde a 32% e seguido pela região nordeste que apresenta 27%.
A média relativa apresentada pela PROCEL resultou que a participação do ar condicionado no consumo nacional, apresenta 20% no setor residencial, sendo o chuveiro o principal vilão, utilizando 24% de toda a energia e por segundo, a geladeira. A EPE (2018) afirmou que em 2005 a participação dos condicionadores de ar no uso final da energia era inferior à participação do freezer. Contudo, em função das mudanças de hábitos no uso do freezer e a substituição das lâmpadas incandescentes por lâmpadas mais eficientes, tornaram o ar condicionado o quarto equipamento que mais consome energia em domicílios, passando de 7% em 2005, para 14% em 2017.
Figura 6 – Uso final da energia elétrica no setor residencial.
Fonte: EPE (2018).
Através da pesquisa da Eletrobrás, também foram apurados os dados de consumo do setor comercial, no qual obtiveram como resultado, um alto nível de consumo energético por parte dos aparelhos de ar condicionado. Apesar de a instalação elétrica comercial ter boa parte da carga distribuída para a iluminação dos ambientes, computadores e outros tipos de componentes, a utilização de condicionadores de ar é o que mais injeta cargas no sistema, ocupando 47% do consumo total de energia elétrica, sendo 22% ocupado pela iluminação e o 31% ocupado pelas demais cargas dos estabelecimentos.
Ainda, apurou-se que de desses 47% da energia ocupada pelos condicionadores de ar, 76,6% correspondem a aparelhos do tipo janela e split,
sendo uns dos principais motivos, a facilidade de instalação destes equipamentos em locais que houve falta de planejamento para a instalação de sistemas de condicionamento. 16,2% das instalações comerciais que entraram na pesquisa contam com sistemas de condicionamento de água gelada, também conhecidos como chillers (PROCEL, 2006). Na figura 7, é possível analisar os principais equipamentos consumidores finais da energia elétrica no setor comercial.
Figura 7 – O uso final da energia elétrica pelo setor comercial.
Fonte: PROCEL (2006).
O gráfico presente na Figura 8 mostra o percentual de empresas comerciais que possuem sistemas de ar condicionado e/ou ventilação instalada em seu sistema, como dito anteriormente, a maior parte do setor comercial, utiliza equipamentos do tipo split ou do tipo janela, enquanto que aparelhos de ventilação e outros ocupam um índice menor.
Figura 8 – Principais tipos de condicionadores de ar presentes nas empresas.
Através do programa PROCEL EDIFICA, obtiveram os dados dos principais consumidores de energia nos prédios públicos, que teve um resultado muito semelhando aos setores comerciais, e isso se deve pelas semelhanças dos encargos entre os setores.
O ar condicionado ocupa 48% de toda a energia consumida pelos prédios públicos, ou seja, quase a metade do consumo que ocorre dentro de um prédio público, se deve aos aparelhos de condicionamento. Seguido pela iluminação que ocupa 23%, equipamentos do escritório 15% e outras cargas 14%.
Figura 9 – O uso final da energia elétrica dos prédios públicos.
Fonte: PROCEL (2006).
Em questão dos tipos de equipamentos presentes em prédios públicos, novamente se teve um maior índice nos equipamentos do tipo split e janela, e isso devido à facilidade e baixo custo de instalação, pois para os prédios no geral, muitas vezes há impossibilidade de instalação de determinados sistemas de condicionamento quando não previstos em seu projeto. Além disso, pode haver a necessidade de um grande espaço para a instalação das maquinas que na maioria das vezes o prédio não dispõe, além disso, pode haver a necessidade de fazer furações para passagem de dutos que podem danificar a estrutura do prédio.
Os condicionadores do tipo split e janela são os mais escolhidos devido a facilidade no momento da instalação, pois os mesmos podem se adequar a pequenos espaços e também por serem baratos e não precisarem de grandes intervenções. Segundo a Figura 10, 82% de todos os prédios públicos dispõem deste tipo de equipamento para o condicionamento, seguido pelos equipamentos de
ventilação e exaustão (36%), equipamentos Roof top e Self contained, e equipamentos de água gelada (32%).
Figura 10 – Principais condicionadores de ar presentes nos prédios públicos.
Fonte: PROCEL (2006).
Apesar dos dados serem recolhidos pela PROCEL no ano de 2006, nos quais os condicionadores de ar ainda tinham um alto custo de compra para os consumidores, e também não havia tantos modelos e marcas disponíveis no mercado, é interessante analisar que mesmo assim, a energia ocupada por esse equipamento nos setores anteriormente citados, era alta.
3 DEFINIÇÕES DE CONDICIONADOR DE AR
Atualmente, existem diversos tipos de condicionadores de ar, e cada um se adequa a um tipo de instalação para a qual foi desenvolvido. Em uma classificação simples, pode-se dividir estes equipamentos em 2 tipos principais, que são dos condicionadores de expansão direta e de expansão indireta.
3.1 Expansão Direta
O condicionador de ar de expansão direta utiliza um sistema fechado em seu funcionamento, ou seja, um sistema o qual há circulação de um fluido refrigerante que realiza o processo de resfriamento final, efetuando a retirada do calor do ambiente o qual se deseja resfriar. O ar do ambiente a ser refrigerado circula por uma serpentina a qual possui dutos internos por onde circula o gás refrigerante, atingindo baixas temperaturas, em torno de 7º C.
Este tipo de equipamento é que será dado o maior enfoque, devido a serem os equipamentos mais utilizados em setores comerciais e residências, e também são os mais presentes no mercado atual, são exemplos destes tipos de equipamentos, os do tipo split e “janela”.
3.2 Expansão Indireta
Neste tipo de sistema, utilizam-se unidades de produção de água refrigerada, sendo esta é refrigerada por um sistema similar ao do aparelho de expansão direta, porém, a água é que circula por um sistema de serpentinas e não o gás refrigerante. Nesse tipo de sistema, é necessária a instalação de fancoils e fancoletes, nestes equipamentos, existe uma serpentina por onde a água fria, e através de um sistema de ar forçado, efetuando assim a refrigeração do ambiente. Os principais equipamentos deste modelo são os chillers e as torres de resfriamento.
Este trabalho não dará enfoque a este tipo de equipamento, pois este equipamento está mais presente no setor comercial e industrial, em sistemas de grande porte, sendo o objetivo deste trabalho, tratar de sistemas de condicionamento de pequeno porte ou individuais.
3.3 Condicionadores de Ar de Expansão Direta
3.3.1 Condicionador de Ar tipo “Janela”
Este tipo de equipamento, como o próprio nome já diz, é desenvolvido para ser instalados em janelas ou paredes, normalmente para o condicionamento de ambientes de pequeno porte, pois são fabricados normalmente em baixas capacidades de refrigeração. Este pode ser encontrado no mercado com a capacidade mínima de refrigeração de 7.000 BTU’s e capacidade máxima de até 30.000 BTU’s.
Este tipo de equipamento possui algumas vantagens em relação ao “split”, como o baixo preço em relação aos demais, a facilidade de instalação em locais que já possuem furação, e pelo fato de ele ser compacto, tem uma facilidade de manutenção e também realizar a troca do ar no ambiente o qual ele foi instalado.
Embora ele tenha essas vantagens, também possui algumas desvantagens em relação ao split, como o fato de ele ser compacto e não dividido como o outro modelo, ele é indicado para ambientes em que o ruído não seja um problema, como uma sala comercial por exemplo. A figura 11 ilustra um modelo atual de um condicionador de ar do tipo “Janela”.
Figura 11 – Ar Condicionado do tipo “Janela”.
3.3.2 Condicionador de Ar tipo Split
Este equipamento possui uma característica simples que o difere e o torna seu grande diferencial em relação ao aparelho do tipo “Janela”. O fato de ele ser divido em 2 partes, o evaporador e o condensador, e por estas característica, o tornam um aparelho com baixíssimos níveis de ruído, já que o compressor fica separado do ambiente interno e também é um aparelho com melhor design, ficando com melhor acabamento no local que foi instalado.
Este tipo de equipamento é comumente utilizado em locais onde não houve um projeto prévio para a instalação de uma central de ar condicionado.
A conexão entre a unidade condensadora e a unidade evaporadora é realizada através de tubulações de cobre ou alumínio, as quais devem ser obviamente isoladas para que não venham a ter perdas de temperatura do refrigerante, e também devem respeitar todo o procedimento de instalação conforme informado no manual de instalação do equipamento, obedecendo ao comprimento das tubulações e quantidade de gás aplicado quando utilizado grandes distâncias de tubulações.
Figura 12 – Esquema de um Ar Condicionado do tipo Split.
Dentre os equipamentos do tipo split, existem diferentes modelos para se adequar a diferentes tipos de instalações:
Hi-wall ou Parede: Este tipo é o mais utilizado, por sua versatilidade e também por ser o mais barato e indicado para instalações residenciais ou comerciais, o qual o equipamento será preso na parede. Este tipo de equipamento se encontra disponível nas faixas de potência de 7.000 BTU’s a 30.000 BTU’s.
Multi-split: Este tipo de equipamento possui as mesmas características do
Hi-wall, porém utiliza-se apenas uma unidade condensadora, para várias
quantidades evaporadoras, sendo uma boa solução quando não há espaço suficiente para a instalação de muitas unidades condensadoras. Porém o seu preço ainda é elevado em relação ao Hi-wall.
Cassete: Este tipo de equipamento é utilizado quando se deseja um melhor acabamento interno ou quando não há espaço para a instalação do Hi-wall, se tornando impossível a instalação dos aparelhos nas paredes, pois este tipo de equipamento é instalado no teto do ambiente, tendo como principais características, a boa distribuição do ar o acabamento. Este tipo de equipamento é encontrado nas faixas de potência mínima de 18.000 BTU’s e máxima de 60.000 BTU’s.
Piso teto: Este equipamento tem como principais características, a sua robustez e sua alta capacidade de refrigeração, para sua instalação, é necessária a utilização de suportes reforçados, devido ao tamanho de sua unidade evaporadora. Normalmente, este equipamento é utilizado em setores comerciais e industriais, devido ao seu design e sua alta capacidade de refrigeração. Este equipamento se encontra no mercado nas faixas de potências de 18.000 BTU’s a 80.000 BTU’s.
3.3.2.1 Tecnologia Inverter
Atualmente, a tecnologia inverter vem sendo aplicada no setor de ar condicionado mundial, pois é sinônimo de alta eficiência e baixo consumo de energia. Os fabricantes destes equipamentos garantem que este tipo de tecnologia pode minimizar o consumo de energia elétrica em até 40% se comparado aos condicionadores de ar convencionais.
Esta tecnologia é aplicada em quase todos os tipos de condicionadores presentes no mercado atual, não podendo ser aplicados em equipamento que não utilizam o compressor rotativo para a compressão do gás refrigerante. Pois se trata de um inversor de frequência que permite a variação da rotação do compressor, a partir da variação da velocidade do motor elétrico, conforme a necessidade de maior ou menor temperatura no ambiente, ou seja, esta tecnologia permite a variação da potência de refrigeração. Diferente do equipamento convencional, o qual utiliza apenas um termostato para fazer o controle da temperatura, assim faz o motor ligar e desligar conforme a necessidade. Já o inverter, por mais que em mínima rotação, mantem-se sempre ligado, para que desta forma sempre haja um potencial de refrigeração, garantindo a estabilidade na temperatura do ambiente, além do baixo nível de ruído.
As principais vantagens desta tecnologia são:
O motor parte em rampa, ao invés de partida direta, reduzindo assim os picos de corrente durante a partida,
Redução nos níveis de ruído, pois o mesmo opera em baixas rotações quando atinge a temperatura desejada,
Atinge rapidamente a temperatura desejada, pois atinge altas rotações, e dessa forma, aumenta o seu potencial de refrigeração,
A temperatura desejada é mantida constante e com baixíssima oscilação,
Maior vida útil do compressor, devido ao funcionamento mais controlado do sistema, quando relacionados ao convencional.
Na figura 13, é possível obter uma comparação de funcionamento dos aparelhos do modelo convencional e do inverter. E nela é possível observar as características em relação à variação nos níveis de temperatura por cada tipo de equipamento, sendo que no inverte há uma mínima variação, diferente do convencional. E também a variação na rotação do equipamento do tipo inverter e do tipo convencional.
Figura 13 – Comparativo entre Sistema Inverter e Convencional.
Fonte: Fujitsu (2016).
Em um estudo realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) sobre a viabilidade da substituição dos equipamentos de convencionais pela tecnologia inverter, constataram que seria viável economicamente apenas se os equipamentos tivessem entre 30% a 40% de redução no consumo em relação aos convencionais. Também constataram inviabilidade em alguns casos. Segundo os dados, seria viável a substituição de equipamentos danificados, que não teriam mais utilidade, pela nova tecnologia (ENEGEP, 2015). Mesmo que os resultados não foram satisfatórios, a tecnologia ainda passa por melhorias e tende a se tornar mais barata e eficiente.
3.3.3 Distorções Harmônicas
De forma fácil de entender, as harmônicas são frequências múltiplas inteiras de uma frequência fundamental, ou seja, frequências múltiplas inteiras misturadas a frequência de 60 Hz. Ou seja, uma distorção da forma de onda é dita harmônica, quando se apresenta de forma similar em cada ciclo da frequência (DECKMANN e POMILIO, 2016).
As distorções harmônicas ocorrem devido à natureza dos equipamentos presentes no sistema elétrico. Equipamentos do tipo resistivos (Ex: Chuveiro, Aquecedores...) não apresentam índices de distorção devido a sua natureza linear, porém, equipamentos que não possuem linearidade entre tensão e corrente, que são o caso de transformadores e motores, que estão sujeitos à saturação magnética e também circuitos eletrônicos, que não são lineares devido à natureza de seus conversores.
A presença de harmônicas é sinônimo de uma onda de tensão ou de corrente deformada. A deformação da onda de tensão ou de corrente significa que a distribuição de energia elétrica é perturbada e que a Qualidade da Energia é reduzida (SCHNEIDER ELETRIC, 2003).
Matematicamente, podem-se definir os índices de harmônicas pela tensão ou pela corrente, através das Equações (1) e (2):
(1)
(2)
Onde:
THDv = Distorção Harmônica Total (V). THDi = Distorção Harmônica Total (A). Vn, rms = Tensão em cada componente. In, rms = Corrente em cada componente. V1, rms = Tensão na Fundamental. I1, rms = Corrente na Fundamental. n = Ordem da Componente Harmônica.
3.3.3.1 Efeitos das Correntes Harmônicas
Os principais efeitos que as correntes harmônicas causam no sistema elétrico são:
Sobrecarga no sistema de distribuição devido ao aumento na corrente eficaz; Sobrecarga nos condutores de neutro gerado pelas harmônicas de 3ª ordem
nos circuitos monofásicos;
Sobrecarga, vibrações e envelhecimento precoce dos transformadores, motores e alternadores, além de causar ruídos;
Sobrecarga e desgaste prematuro em compensadores de potência restiva; Mau funcionamento de equipamentos sensíveis à variação de tensão.
3.3.3.2 Norma IEC 61000-3-2
A norma IEC 610000-3-2, de 2005, aborda os limites de emissão de distorção harmônicas em equipamentos com correntes de até 16 A por fase e com a intuição de ser instalado em sistemas de baixa tensão, ou seja, tensão entre fase e neutro entre 220 e 240 V. Esta norma, criada principalmente para atender a união europeia, a qual utiliza os níveis de tensão nessa faixa, classificou os equipamentos em diferentes classes para que assim fosse possível a delimitação de um percentual THD para cada tipo de equipamento.
As classes são divididas em:
Classe A: Equipamentos com alimentação trifásica equilibrada, aparelhos de uso domestico, com exceções as que se enquadram da classe D, ferramentas não portáteis, dimmers para lâmpadas incandescentes, equipamentos de áudio e demais equipamentos que não se enquadram em outra classe,
Classe B: Ferramentas portáteis, Classe C: Dispositivos de iluminação,
Classe D: Computadores, monitores de vídeo e aparelhos de televisão. Sendo 600 W a máxima potência ativa permitida por essa classe.
Na Tabela 1 é possível analisar os limites para harmônicos de Corrente correspondente à classe do equipamento.
Tabela 1 – Limites para Harmônicos de Corrente por Classe. Ordem do Harmônico [n] Classe A Máxima Corrente [A] Classe B Máxima Corrente [A] Classe C (>25W) % da fundamental Classe D (>75W, <600W) [mA/W] Harmônicas Impares 3 2,3 3,45 30.FP 3,4 5 1,14 1,71 10 1,9 7 0,77 1,155 7 1 9 0,4 0,6 5 0,5 11 0,33 0,495 3 0,35 13 0,21 0,315 3 0,296 15≤N≤39 0,15*(15/N) 0,225* (15/N) 3 3,85/N Harmônicos Pares 2 1,08 1,62 2 4 0,43 0,645 6 0,3 0,45 8≤N≤40 0,23*(8/n) 0,35*(8/n) Fonte: IEC (1995).
3.4 Índices de Vendas de Condicionadores do tipo Split e “Janela”
No ano de 2002 o Brasil possuía uma base instalada de 94% de aparelhos do tipo janela, sendo a participação de apenas 6% dos aparelhos do tipo split, seguindo um padrão similar com o modelo americano. Já em 2007 esse quadro se inverteu, com 60% do mercado representado pelos equipamentos do tipo split e 40% do tipo janela. Nos últimos dez anos, o compra de equipamentos do tipo janela teve um aumento de 40% se comparado ao ano de 2002, enquanto que os equipamentos do tipo split tiveram um aumento de 1.621% (Portal da Refrigeração, 2013).Segundo os dados da ABRAVA (2016), a venda de equipamentos do tipo split apresenta 74% de todo o mercado de condicionadores de ar nacional, enquanto que os condicionadores do tipo “Janela” tem sofrido queda em todos os anos, tendo apresentado apenas 14% das vendas. E também se estimou que cerca de 18% de todas as residências possuem condicionadores de ar instalados.
Uma pesquisa da EPE (2010) aponta que 20% dos domicílios brasileiros possuíam condicionadores de ar. Considerando que o cenário social do ano referido possuía um total de 60,844 milhões de domicílios no país, pode se calcular que havia 12 milhões de condicionadores de ar instalados no Brasil (PORTAL DA REFRIGERAÇÃO, 2013).
Também é possível analisar o crescimento dos estoques de condicionadores de ar a nível mundial, especialmente nas economias emergentes, mas também em países desenvolvidos. Segundo a CLASP (2011), verificou-se um aumento de 75% no estoque da união europeia e 44% na China, no período de 2005 a 2010. O crescimento foi um pouco mais moderado no Japão e nos Estados Unidos, com elevações de 15% e 10%, referente ao mesmo período (CLASP, 2011).
A queda nos índices de vendas dos equipamentos do tipo janela se deve a vários fatores, além do alto valor de instalação, há também a necessidade de fazer cortes nas paredes das residências, seja em madeira ou alvenaria, podendo danificar a estrutura e abrir rachaduras nas paredes, são mais ruidosos e, além disso, esse tipo de condicionador de ar vem encontrando dificuldade para se adaptar aos coeficientes de eficiência energética estabelecidos pela PROCEL (2017).
Através de dados de vendas de produtos, a Samsung gerou um índice no qual mostra que em função dos anos, o índice de vendas de condicionadores de ar do tipo “Janela” tende a se reduzir, a ponto de sair do mercado. Apesar de os aparelhos não serem tão eficientes, o custo de produção e o valor de venda não são favoráveis, tendendo a se tornar inviável.
Por meio de entrevistas feitas com duas marcas de renome no setor de ar condicionado nacional, uma delas a Electrolux e outra a Springer Midea, a Electrolux deixou de fabricar o condicionador de Ar do tipo Janela, que segundo eles, a migração dos consumidores para o ar condicionado do tipo “split”, será tamanha, que não haverá grande mercado para os condicionadores “janela”, tornando-se inviável a sua produção e comercialização. Segundo a Electrolux, é mais viável investir em eficiência dos aparelhos, do que na produção de um aparelho com pouco mercado (PORTAL WEB AR CONDICIONADO, 2017).
Já a Springer Midea, não tem planos de parar a produção do equipamento “janela”, segundo eles, já sendo produzindo novos equipamentos com alta eficiência e com selo PROCEL classe “A”, sendo os mesmos utilizando o gás ecológico e com baixos níveis de ruído. Segundo eles, ainda há um grande mercado pra esse tipo de equipamento, além de possuir algumas vantagens em relação ao split, como a facilidade de manutenção e instalação para ambientes que já possuíam este equipamento, o custo de venda ainda é menor.
A EPE (2018) afirma que atualmente, o número de equipamentos de ar condicionado por residência seja de aproximadamente 0,43 unidades e estima-se que em no ano de 2035 a posse de equipamentos de ar condicionado será de 0,96 unidades. Ou seja, a posse desses equipamentos irá dobrar no período estipulado e sendo esperado que em 2025 mais de metade da posse correspondam a equipamentos vendidos após 2017, podendo ser observado de forma detalhada na Figura 14.
Figura 14 – Posse de Ar Condicionado no Setor Residencial.
Fonte: EPE (2018).
Na maioria dos países analisados, os equipamentos do modelo split apresentam maiores índices de vendas. A Índia é uma exceção notável, pois apresentam índices quase iguais para ambos os modelos (CLASP, 2011).
3.5 O Programa Brasileiro de Etiquetagem
Hoje, o setor de ar condicionado e de equipamentos elétricos no geral tem evoluído, e através do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), criado pela PROCEL e é coordenado e regulamentado pelo Inmetro, programa que inicialmente foi desenvolvido para o atendimento do setor automotivo, ele cresceu e hoje é um programa de extrema importância. Através dele é possível a exigência de produtos com melhor eficiência no mercado, pois através da etiqueta, é possível que o
consumidor tenha as informações sobre o consumo do equipamento que vai adquirir e poder compara-lo com outros equipamentos de diferentes marcas e preços.
O uso de índices de eficiência energética é a melhor ferramenta para avaliar e comparar o desempenho e a eficiência de sistemas condicionadores de ar. Desde o estabelecimento de um valor mínimo, até os dias de hoje, é possível observar uma evolução nos índices de eficiência energética dos equipamentos comercializados (LIMA, 2017).
Somente em 2007, um índice mínimo de eficiência energética foi adotado para os condicionadores de ar e em 16 de agosto de 2013, foi determinado que em um período de 2 anos, atacadistas e varejistas, só poderiam comercializar condicionadores de ar etiquetados de acordo com as novas classes de eficiência energética.
O coeficiente de eficiência energética é calculado a partir da razão entre a capacidade de refrigeração máxima e o consumo de energia. Para determinar tal valor, o equipamento é submetido a testes laboratoriais com temperatura controlada. Através destes testes, obtêm-se os valores do Coeficiente de Eficiência Energética (CEE). Conforme a Equação 3.
O que ocorre, é que durante o uso convencional do equipamento ele não permanecerá exposto a condições similares às do teste. Assim, tal coeficiente não é tão representativo em relação ao desempenho energético sazonal porque não leva em consideração o desempenho em carga parcial (PEREIRA; LAMBERTS; GHISI, 2013).
Em mercados de condicionadores de ar mais desenvolvidos, como a União Europeia, Estados Unidos e Japão, já se aplicam diferentes técnicas para medidas de coeficiente de eficiência nestes equipamentos, principalmente na tecnologia inverter, uma destas técnicas é através do Coeficiente de Eficiência Energética Sazonal (em inglês, Seasonal Energy Efficiency Ratio – SEER), a fim de fornecer medidas de eficiência dos equipamentos expostos em diferentes locais e em diferentes estações do ano, para que desta forma se obtenham resultados e
medidas mais significativas a respeito da variação de desempenho em função da temperatura (PEREIRA; LAMBERTS; GHISI, 2013).
Para um país como o Brasil, que possui um grande território de dimensões continentais, em que regiões possuem um clima muito quente em quase todo o ano e outros locais possuírem alta variação de temperatura, é um fato que estes equipamentos estão sujeitos a variações dos coeficientes de eficiência. A região Sul, por exemplo, sofre grandes variações de temperatura durante o ano, podendo atingir valores superiores a 30º C e inferiores a 0º C. Desta forma seria cabível a investigação dos coeficientes sazonais em nosso território, para que em locais com maior variação de temperatura, pudessem ser ofertados equipamentos mais adequados à variação climática.
Os selos da PROCEL, para equipamentos elétricos, nos indicam o consumo de determinados equipamentos em Kwh, e nele é especificada a quantidade de energia consumida por este equipamento em um determinado período de tempo e funcionando sob tais condições. Cada tipo de equipamento segue determinadas regras e após terem os resultados, o equipamento é classificado conforme a sua classe. Hoje os equipamentos de ar condicionado seguem 4 classes, de “A” até “D”, sendo a classe “A”, ocupada pelos aparelhos com uma melhor eficiência e classe “D” como os de menor eficiência. Até 2014, o selo PROCEL possuía a classe “E”, porém, está foi abolida e hoje os equipamentos que não forem aprovados e ter no mínimo um índice “D”, não poderão ser vendidos no mercado.
Figura 15 – Etiqueta de Conservação de Energia para Condicionadores de Ar.
Dentre os condicionadores de ar presentes no mercado, a sua a maioria apresentam bons índices de eficiência em níveis nacionais, segundo a ultima pesquisa de eficiência lançada pelo Inmetro, constatou-se que 41,8% dos condicionadores de ar split Hi-Wall de rotação fixa (convencionais), apresentam classificação “A” de consumo energético, sendo apenas 7,8% pertencentes à classificação “D”. Já os de rotação variável (inverter), 91,3% de todos os equipamentos presentes no mercado apresentam índice “A”, sendo que nenhum equipamento inverter apresenta classificação “D”, e apenas 2,3% pertence à classe “C” (Inmetro, 2017). Na Tabela 2 é possível analisar a taxa percentual de equipamentos presentes no mercado, bem como sua quantidade e a sua classe.
Tabela 2 – Coeficientes de Eficiência Energética em Condicionadores de Ar.
Classes
Coeficiente de Eficiência
Energética (W/W) Split Hi-Wall
Rotação Fixa Rotação Variável
A 3,23 < CEE 375 41,80% 315 91,30%
B 3,02 < CEE ≤ 3,23 178 19,80% 22 6,40%
C 2,81 < CEE ≤ 3,02 274 30,50% 8 2,30%
D 2,60 ≤ CEE ≤ 2,81 70 7,80% 0 0,00%
Fonte: Inmetro (2017).
Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), o aumento da eficiência é a forma mais rápida e econômica de lidar com a questão da segurança energética e os desafios ambientais e econômicos. A IEA (2011) apresentou um relatório com recomendações políticas para a eficiência energética em condicionadores de ar, e a partir destas, seria possível reduzir 17% do consumo anual de energia elétrica a nível mundial.
Ainda que o Brasil tenha se tornado mais rigoroso em questão de estabelecer melhores níveis de eficiência em equipamentos, eles ainda são baixos em relação a outros países, como a China, o Japão, a União Europeia e os Estados Unidos. Nestes países, os valores para os splits mais eficientes tem apresentado uma tendência acrescente ao longo da ultima década (CLASP, 2011). Percebe-se que a eficiência do melhor equipamento Brasileiro é muito baixa em relação aos países citados. O equipamento mais eficiente no Brasil possui um índice CEE de 4,79. Já a
China trabalha com equipamentos com índice 6, e o Japão ultrapassa o índice de 6,5.
No gráfico da Figura 16, podem-se observar os equipamentos com melhores índices de eficiência produzidos por cada país anteriormente citado. Nele é possível observar a qualidade dos equipamentos produzidos, principalmente na China e no Japão. É possível observar que a China tem se preocupado em melhorar os níveis de eficiência, pois sendo um país que produz muitos equipamentos, tem investido em equipamentos melhores. Já os Estados Unidos não vem tomando tanta iniciativa em respeito aos seus melhores equipamentos.
Figura 16 – Índices CEE dos condicionadores mais eficientes.
Fonte: CLASP (2011).
Através de uma pesquisa, Souza (2010) comparou os índices mínimos de eficiência energética em equipamentos de ar condicionado nacionais do tipo “janela” com os estudos de Rosenquist (2008), o qual apresentava os índices de eficiência do mesmo tipo de equipamento em outros países. Como resultado, obteve que o equipamento de maior eficiência produzido no Brasil se mostrou 34% menor se comparado ao pior equipamento dos países estudados. Ou seja, o melhor equipamento produzido no Brasil, poderia consumir 34% a mais de eletricidade se comparado ao pior equipamento existente em outros países (SOUZA, 2013).
Em relatório do PROCEL 2011 (ano base 2010), foi observada uma redução de 13% no consumo de energia se comparado ao ano anterior, e os fatores que
contribuíram para esses resultados foram à comercialização de equipamentos com o selo PROCEL.
Souza (2010), em sua dissertação pesquisou sobre a economia de energia em condicionadores de ar no Brasil. O autor inicialmente avalia o impacto energético atribuído ao Programa Selo PROCEL, no âmbito de condicionadores de ar do tipo “Janela” e split, desenvolvido pelo Centro de Excelência em Eficiência Energética, EXCEN/UNIFEI, através de dados de consumo medidos em condições padronizadas, ajustados para o contexto real. Para tanto, o conjunto dos equipamentos foi modelado e separado de forma regional e setorial, para incluir os efeitos da temperatura ambiente e intensidade de utilização, levando em conta ainda a perda de desempenho ao longo da vida util. A economia de energia promovida pela introdução do Selo PROCEL em condicionadores de ar foi de 664 GWh em 2008, esta economia corresponde 80% para o setor residencial e 20% para o setor comercial. Obtendo também uma economia de 339 MW em horários de ponta, correspondente a 0,32% da demanda máxima de energia ofertada no ano (MORAES, 2013).
3.5.1 PROCEL EDIFICA
Instituído em 2003, pela PROCEL/ELETROBRAS, atuando conjuntamente com o ministério de Minas e Energia, o Ministério das Cidades, as universidades, os centros de pesquisas e entidades governamentais, tecnológicas, econômicas e de desenvolvimento e também o setor de construção civil. O PROCEL EDIFICA é um programa que promove o uso racional da energia elétrica em edificações, tendo como principais objetivos, o incentivo a conservação de energia e uso eficiente dos recursos naturais nas edificações, para que assim sejam reduzidos os impactos e desperdícios sobre o meio ambiente.
Segundo o PROCEL, o consumo de energia elétrica nas edificações corresponde a cerca de 45% do consumo total faturado no país. E através deste programa, estima-se uma redução de até 50% no consumo em novas edificações e até 30% para edificações que promoverem reformas dentro das normas de eficiência do programa.
3.6 Efeitos dos Condicionadores de Ar no Sistema Elétrico
Nacional
Há pouco tempo, constatou-se que o sistema elétrico nacional tem passado por algumas mudanças em questão do consumo e dos costumes dos consumidores no geral. Pois o famoso horário de pico, que costumava ocorrer entre as 18:00 e 21:00 horas, devido aos equipamentos de aquecimento resistivos, passou a ocorrer entre as 14:00 e 15:00 horas devido principalmente aos equipamentos de ar condicionado presente no sistema. Tendo isto ocorrido no Rio Grande do Sul em 2014, no ano seguinte ocorreu novamente, porém, em 11 estados, sendo eles: São Paulo, Espirito Santo, Rio de Janeiro, Minas Gerais, Goiás, Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Rondônia e o Distrito Federal.
Estas sobrecargas podem gerar graves complicações para o sistema elétrico, pois em janeiro de 2015, foi programada a redução de 5% da energia para que pudesse ter controle sobre o sistema, e para que não ocorressem danos ao sistema elétrico. As principais épocas em que ocorrem estas sobrecargas são no verão, pois devido às altas temperaturas, há maior exigência dos sistemas de refrigeração, seja pelos sistemas de ar condicionado, mas também por sistemas de refrigeração de alimentos e no geral. Há maior demanda destes equipamentos nestas épocas do ano. Além disso, há maior incidência de perdas nas linhas de transmissão, devido aos altos níveis de corrente drenados pelos condutores e a alta temperatura dos mesmos, há maior resistividade interna no condutor, causando altos níveis de perdas.
Outro fator de risco, é que no verão, há longos períodos sem chuvas, causando uma significativa redução nos níveis hídricos das usinas hidrelétricas, sendo um país que depende em 68,1% do potencial energético proveniente de usinas hidrelétricas (conforme constatado anteriormente), este é um fator muito preocupante. O Eng. Reive Barros (2015) observou que há necessidade de corte nas cargas quando o consumo de energia está superior à capacidade de geração, desta forma a capacidade de geração se iguala a potência das cargas no sistema. Segundo ele, é vantajoso desligar cargas ter-se o controle, do que perder o controle das usinas, e ter como resultado, um belo desastre (O GLOBO, 2015).
Segundo uma recente pesquisa, à medida que a as cidades tornam-se mais populosas e a renda aumenta, especialmente em cidades com climas mais quentes, tem como resultado, um maior consumo de condicionadores de ar e por consequência disso, o consumo de energia aumenta em uma velocidade assustadora, assim como a concentração de gases de efeito estufa. Até 2050, o consumo de energia a partir de condicionadores de ar deve triplicar, assim como a quantidade de aparelhos, que deve passar de 1,6 bilhões para 5,6 bilhões, ou 10 novos aparelhos vendidos a cada segundo pelos próximos 30 anos, revelou os estudos (OBSERVATÓRIO DO CLIMA, 2018).
Fatih Birol, da IEA, comentou que o ar condicionado será considerado um dos principais itens da demanda global de eletricidade. Segundo ele, será necessária a construção de novas usinas e o aumento de emissões de gases de efeito estufa, e ainda assim, caso a eficiência energética de resfriamento fique abaixo do esperado, será um grave problema para o planeta. Segundo ele, atualmente, cerca de um quinto de do consumo de eletricidade em edifícios se resumem à utilização de aparelhos de ar condicionado. E em 2050, os aparelhos de resfriamento estarão no topo do ranking de consumo de energia, à frente de chuveiros, eletrodomésticos e demais eletrônicos (OBSERVATÓRIO DO CLIMA, 2018).
4
O CICLO DE REFRIGERAÇÃO
Neste capítulo, serão abordados os princípios de funcionamento dos principais equipamentos de ar condicionado comercializados, sendo destacado o ciclo de funcionamento por compressão a vapor e também os principais componentes presentes em um sistema ar condicionado, para que o mesmo venha a funcionar adequadamente.
4.1 O Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor
A refrigeração através do método de compressão de vapor é a mais usualmente utilizada no condicionamento de ar de ambientes, tanto para resfriamento, como também para congelamento de produtos em equipamentos frigoríficos. A compressão a vapor passou por vários processos de optimizações e aprimoramentos, e atualmente, os compressores de refrigeração possuem tamanhos reduzidos, sendo facilmente adaptado em equipamentos de pequeno porte. Também reduziu-se o ruído produzido e também as vibrações, tornando-o ideal para utilizá-los em locais que exigem silêncio, como quartos e salas de reuniões.
O processo de refrigeração por compressão inicia-se no compressor, onde o gás refrigerante é comprimido até que o mesmo atinja a pressão de condensação. Normalmente, a temperatura do fluído refrigerante comprimido pelo compressor, passa a ser maior que a temperatura de condensação. Em condicionadores de Ar, essa temperatura não costuma passar de 10 a 13ºC, conforme a Tabela 2.
Devido ao fluido apresentar uma temperatura excessiva quando comprimido, ocorre a necessidade do processo de rejeição de calor sob pressão constante. Nesse processo, o fluido refrigerante circula por uma serpentina, que normalmente é fabricada em cobre ou alumínio e que está sob constante ventilação, por parte de um moto-ventilador. Este gera um fluxo de ar contínuo que faz com que haja a transferência térmica de temperatura para o meio externo, até que atinja a temperatura de condensação e consequentemente, condense até o estado de liquido saturado.
Após esse processo, o fluido refrigerante passa pelo processo de expansão. Nesse processo, o gás passa por um tubo capilar, que recebe este nome devido ao
seu diâmetro ser bem pequeno. Alguns equipamentos mais tecnológicos utilizam válvulas de expansão eletrônicas, que se ajustam o diâmetro conforme necessidade de expansão. O objetivo do processo de expansão é que a pressão do fluído caia, até que atinja a pressão de vaporização, está faz com que haja uma drástica redução na temperatura do fluído. Em aparelhos de ar condicionado, a temperatura média é de 7º C.
E por ultimo, na unidade evaporadora ocorre o processo de transferência de calor a uma temperatura e pressão constante. Esse processo ocorre quando o fluído chega ao inicio da evaporadora no estado de vapor úmido, e ao fim passa para o estado de vapor saturado, retornando ao compressor e reiniciando o ciclo.
Resumindo, a unidade evaporadora tem a função de retirar a energia calor de um local e transferi-la para a unidade condensadora. E a unidade condensadora tem a função de transferir essa energia calor a um meio externo, em um ciclo contínuo, como pode-se observar na Figura 17.
Figura 17 – Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor.
