CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E LUMINOSA EM
AMBIENTES COMERCIAIS UTILIZANDO O SOFTWARE
ENERGYPLUS
UÍLISSON GIORDAN FIGUEIRÓ MARQUES
Ijuí
2018
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E LUMINOSA EM
AMBIENTES COMERCIAIS UTILIZANDO O SOFTWARE
ENERGYPLUS
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de En-genheiro Eletricista do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI.
Orientador: Prof. Mário Noronha Agert
Ijuí
2018
A minha mãe, Marli, heroína que me deu apoio, incentivo nas horas difíceis, de desâ-nimo e cansaço.
Ao meu pai, Virmar, que batalhou por anos para proporcionar a melhor educação para seus filhos.
Ao meu orientador, professor Mário Noronha Agert, pelo suporte, disposição e todo seu vasto conhecimento, os quais foram de suma importância na elaboração deste trabalho.
Aos professores do curso de Engenharia Elétrica pelos valiosos ensinamentos.
A Clínica Equilibrium, por dispor seu espaço e pela confiança depositada em mim, para que eu pudesse realizar este trabalho.
minosa de uma edificação comercial, localizada em Cruz Alta – Rio Grande do Sul. Em um primeiro momento, houve a coleta de informações da edificação avaliada, afim de aplicar as simulações computacionais relacionadas ao estudo de caso. Para a elaboração das simulações, são utilizadas três ferramentas computacionais: SketchUp, OpenStudio e EnergyPlus. Enquanto o SketchUp realiza a modelagem geométrica da edificação, o OpenStudio auxilia na entrada de dados e informações da edificação estudada. Por fim, o EnergyPlus recebe as informações con-tidas no OpenStudio, realiza os cálculos pertinentes e apresenta os relatórios finais do consumo de energia elétrica. A partir dos resultados finais encontrados, são aplicadas algumas medidas de eficiência energética nos principais sistemas da edificação, sendo estes a iluminação e o ar condicionado. Para o sistema de iluminação é proposto a utilização de lâmpadas LED, em con-junto com um melhor dimensionamento da Densidade de Potência de Iluminação da edificação. Para o sistema de ar condicionado é proposto a substituição do sistema split pelo VRF. A redu-ção de consumo de energia elétrica anual dos sistemas de iluminaredu-ção e ar condicionado foi de 46,71% e 29,36% respectivamente, enquanto o consumo de energia elétrica total da edificação apresentou uma redução de 18%.
Palavras-chave: Eficiência energética, simulação computacional, consumo de energia elé-trica.
efficiency of a commercial building, located in Cruz Alta, Rio Grande do Sul, Brazil. At first, there was collected informations on the building chosen, in order to apply the computational simulations related to the case study. For the elaboration of the simulations, three computational tools are used: SketchUp, OpenStudio and EnergyPlus. While SketchUp performed the geo-metric modeling of the building, OpenStudio assists in the input of data and information of the studied building. Lastly, EnergyPlus receives the information contained in OpenStudio, per-forms the relevant calculations and provides the final reports of electric power consumption. From the final reports found, some energy efficiency measures are applied in the main systems of the building: illumination and air conditioning. For the lighting system, it is proposed the use of LED lamps, together with a better sizing of the Lighting Power Density of the building. For the air conditioning system, it is proposed to replace the split system with the VRF. The annual electricity consumption reduction of the lighting and air conditioning system were 46.71% and 29.36%, respectively, while the total energy consumption of the building decreased by 18%.
Figura 1 – Consumo de energia elétrica por setor no Brasil ... 19
Figura 2 - Uso da energia elétrica pelo setor comercial no Brasil ... 20
Figura 3 – Esquema do ciclo de refrigeração básico ... 21
Figura 4 – Tipos de condicionadores de ar existentes no setor comercial ... 21
Figura 5 - Sistema condicionador de ar split ... 22
Figura 6 - Sistema condicionador de ar tipo VRF ... 23
Figura 7 – Representação da iluminação geral ... 25
Figura 8 – Representação da iluminação localizada ... 25
Figura 9 – Representação da iluminação de tarefa ... 26
Figura 10 – Fluxo luminoso na iluminação direta ... 26
Figura 11 – Fluxo luminoso na iluminação indireta ... 27
Figura 12 – Fluxo luminoso na iluminação direta-indireta ... 27
Figura 13 – Etiqueta PBE para edificações comerciais, de serviços e públicas ... 33
Figura 14 – Selo PROCEL de eficiência energética para edificações ... 34
Figura 15 – Comparativo entre o sistema inverter e o convencional ... 35
Figura 16 – Esquema de funcionamento de lâmpadas dimerizáveis ... 37
Figura 17 – Diagrama do uso das ferramentas computacionais para simulação ... 38
Figura 18 – Interface inicial do SketchUp ... 38
Figura 19 – Interface inicial do OpenStudio ... 39
Figura 20 – Esquema de módulos do EnergyPlus ... 40
Figura 21 – Edifício da Clínica Equilibrium ... 41
Figura 22 - Modelo geométrico feito no SketchUp da Clínica Equilibrium ... 42
Figura 23 - Ambientes climatizados no térreo... 43
Figura 26 - Representatividade do consumo anual para a situação atual da edificação ... 50
Figura 27 - Resultado do consumo mensal de energia elétrica proposto para a edificação ... 50
Figura 28 - Representatividade do consumo anual proposto para a edificação... 51
Figura 29 - Comparação entre os consumos finais de energia elétrica da edificação ... 52
Tabela 1 – Eficiência luminosa das lâmpadas comerciais ... 24
Tabela 2 – Níveis de iluminância definidos pela NBR ISO 8995-1/2013... 28
Tabela 3 – Divisão dos ambientes da clínica em zonas térmicas. ... 43
Tabela 4 – Lista de materiais utilizados na construção da clínica ... 45
Tabela 5 – Propriedades termofísicas dos materiais da clínica ... 45
Tabela 6 – Propriedades térmicas e óticas dos vidros ... 46
Tabela 7 – Equipamentos elétricos da clínica ... 46
Tabela 8 – Densidade de Potência de Iluminação atual da clínica. ... 47
ABESCO Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABILUX Associação Brasileira da Indústria de Iluminação
ABIVIDRO Associação Técnica Brasileira das Indústrias de Vidro
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado
BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social
BTU British Thermal Unit
CGIEE Comitê Gestor de Indicadores de Eficiência Energética
COP Coefficient of Performance
CONPET Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados de
Petróleo e do Gás Natural
DPI Densidade de Potência de Iluminação
ENCE Etiqueta Nacional de Conservação de Energia
EPE Empresa de Pesquisa Energética
INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade In-dustrial
ISO International Organization Standardization
LABEE Laboratório de Eficiência Energética em Edificações
LED Light Emitting Diode
MME Ministério de Minas e Energia
NBR Norma Brasileira Regulamentadora
PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem
P&D Pesquisa e Desenvolvimento
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
RTQ-C Regulamento Técnico de Qualidade Comercial
VRF Variable Refrigerant Flow
1. INTRODUÇÃO ... 13
1.1. DADOS DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO ... 13
1.2. TEMA ... 13 1.3. DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 13 1.4. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.5. JUSTIFICATIVA ... 14 1.6. OBJETIVOS ... 17 1.6.1. Objetivo geral ... 17 1.6.2. Objetivos específicos ... 17 2. REVISÃO DA LITERATURA ... 18
2.1. CONSUMO ENERGÉTICO NO SETOR COMERCIAL ... 18
2.2. SISTEMA DE AR CONDICIONADO ... 20
2.2.1. Sistema split ... 21
2.2.2. Sistema VRF ... 22
2.3. SISTEMA DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL ... 23
2.3.1. Conceitos de luminotécnica ... 28
2.3.2. NBR ISO 8995-1/2013 ... 28
2.3.3. Iluminância ... 29
2.3.4. Fluxo luminoso nominal ... 29
2.3.5. Eficácia luminosa ... 29
2.3.6. Índice de reprodução de cor ... 30
2.3.7. Luminância ... 30
2.4. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SETOR COMERCIAL ... 30
2.5. MEDIDAS PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NOS APARELHOS DE AR
CONDICIONADO ... 34
2.6. MEDIDAS PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E LUMINOSA NOS SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ... 36
2.7. SOFTWARES PARA SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS ... 37
2.7.1. SketchUp ... 38
2.7.2. OpenStudio ... 39
2.7.3. EnergyPlus ... 39
3. METODOLOGIA ... 40
3.1. APRESENTAÇÃO DA EDIFICAÇÃO COMERCIAL ... 41
3.2. MODELAGEM GEOMÉTRICA DA EDIFICAÇÃO ... 42
3.2.1. Localização geográfica da edificação ... 44
3.2.2. Elementos construtivos da edificação ... 44
3.2.3. Equipamentos elétricos ... 46
3.2.4. Sistema de iluminação ... 46
3.2.5. Sistema de ar condicionado ... 47
3.3. PROPOSTAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ... 48
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 49
4.1. CONSUMO ATUAL DA EDIFICAÇÃO ... 49
4.2. CONSUMO PROPOSTO PARA EDIFICAÇÃO ... 50
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 53
REFERÊNCIAS ... 54
ANEXOS ... 59
ANEXO A – PLANTA BAIXA DO TÉRREO ... 59
ANEXO E – FACHADA OESTE ... 63 ANEXO F – FACHADA NORTE ... 64 ANEXO G – FACHADA SUL ... 65
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO
O trabalho em questão apresenta o projeto de pesquisa em eficiência energética e lu-minosa aplicada em ambientes comerciais, requisito para a conclusão de curso, orientado pelo professor Mário Noronha Agert e será defendido pelo acadêmico em Engenharia Elétrica Uí-lisson Giordan Figueiró Marques.
1.2.
TEMA
Análise da eficiência energética e luminosa em ambientes comerciais utilizando o sof-tware EnergyPlus.
1.3.
DELIMITAÇÃO DO TEMA
Com base em informações bibliográficas e a partir da verificação das condições do ambiente em estudo, será realizada a análise de eficiência energética dos principais tipos de equipamentos consumidores de energia elétrica no setor comercial. Entre os equipamentos pode-se destacar os de refrigeração e iluminação. Além disso, será feita uma análise da eficiên-cia luminosa dos sistemas de iluminação, a partir das lâmpadas utilizadas nos ambientes co-merciais (fluorescentes, incandescentes, halógenas, LED, entre outras). Através da simulação com o software EnergyPlus, serão inseridos os dados coletados em um ambiente a ser escolhido com o objetivo de estudar e analisar a eficiência energética e luminosa do local em questão.
1.4.
FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Progressivamente tem-se notado a crescente preocupação na utilização da energia, de maneira racional, no mundo. O aumento demasiado do consumo exige que medidas sejam to-madas, principalmente relacionadas a geração de energia elétrica de maneira sustentável para suprir essa demanda. A expressão eficiência energética tem ganhado força e é difundida por pequenas, médias e grandes empresas, as quais buscam usar de modo eficiente a energia para se obter melhores resultados. A substituição de tecnologias já existentes por outras mais recen-tes é uma das soluções apontadas, mas na maioria dos casos, simples ações como desligar a luz
ou aparelhos eletroeletrônicos sem uso já colaboram com a economia de energia. Concomitan-temente, outra expressão muito importante vem se difundindo e ganhando força: a eficiência luminosa. Visando principalmente um aproveitamento maior da iluminação natural, a eficiência luminosa está diretamente relacionada ao menor uso de iluminação artificial, correto dimensi-onamento e posicidimensi-onamento das luminárias e a escolha de lâmpadas eficientes, ou seja, com um fluxo luminoso maior e um consumo de potência menor.
1.5.
JUSTIFICATIVA
Nos anos 2001 e 2002, o Brasil viveu uma crise energética que afetou principalmente as regiões Sudeste e Centro-Oeste, conhecida por “Crise do Apagão”. A falta de planejamento e investimentos nas áreas de geração e distribuição de energia elétrica foram elementos cruciais para tal fato.
Com a escassez de chuvas e a consequente redução no nível de água dos reservatórios, as usinas hidrelétricas, principais matrizes energéticas brasileiras, entraram em colapso, com-plementando o desequilíbrio no fornecimento de energia elétrica.
Para evitar que a situação piorasse, o Governo Federal realizou investimentos e esta-beleceu medidas que evitassem um agravamento da situação que o país enfrentava.
Inicialmente foi implantada uma rigorosa política nacional de racionamento, levando a redução obrigatória do uso de energia elétrica em todos os setores brasileiros. Contudo, os consumidores brasileiros aderiram à uma campanha de racionalização voluntária do consumo de energia elétrica em horários estratégicos, o que descartou ações mais extremas de cortes programados de energia, promovendo assim a manutenção da produção nos setores industrial e comercial, importantes pilares da economia brasileira (O GLOBO, 2017).
Houve uma grande mudança nos hábitos de uso da eletricidade: a substituição de equi-pamentos obsoletos por aqueles com tecnologia mais avançada e maior eficiência.
Além disso, houve a troca de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes, buscando assim evitar o mínimo possível de energia elétrica desperdiçada. Fatos como estes demostram a importância da conscientização e do conhecimento de temas como a eficiência energética dos equipamentos e a eficiência luminosa das lâmpadas.
A energia elétrica é um dos elementos fundamentais que garantem o desenvolvimento econômico e social de uma nação. O surgimento de novas tecnologias, o crescente aumento da população mundial, e por consequência, do seu consumo, torna a humanidade totalmente de-pendente da energia elétrica.
A sua utilização, de maneira equivocada e descontrolada provoca um colapso na soci-edade moderna, visto que esta possui fontes finitas e para que seja produzida, impactos ambi-entais estão presentes. Assim, há uma necessidade de se tomar medidas para enfatizar a impor-tância de seu uso de maneira racional, sem afetar ou comprometer a qualidade de vida ou de-senvolvimento da sociedade.
Em 1984, o INMETRO iniciou, de forma pioneira, uma discussão com a sociedade a respeito da conservação de energia, afim de contribuir para a racionalização no seu uso no país, informando aos consumidores sobre a eficiência energética de cada produto, estimulando-os a fazer uma compra mais consciente. Este projeto cresceu e se transformou no Programa Brasi-leiro de Etiquetagem (PBE) (INMETRO, 2010).
No ano seguinte, em 1985, por meio da Portaria Interministerial firmada entre o Mi-nistério de Minas e Energia e o MiMi-nistério da Indústria e do Comércio, no desenvolvimento de ações que visam o uso eficiente da energia elétrica no Brasil, surgiu o PROCEL, desempe-nhando um importante papel para alavancar a implementação de ações de eficiência energética no país durante os últimos 30 anos.
Em parceria firmada com o INMETRO e gerido pela Eletrobrás, em 1986 o PROCEL lançou a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia. Em 1989, o PROCEL começa a atuar no setor comercial e industrial. Em 1993, ocorre a criação do Selo PROCEL de economia de energia.
Já nos anos 2000, o PROCEL subsidia a criação da Lei nº 9.991/00, que determina a aplicação de 1% da receita operacional líquida das concessionárias de energia elétrica em pro-jetos de eficiência energética e P&D. Tendo destaque entre todas as medidas já tomadas pelo PROCEL, em 2001 é promulgada a Lei nº 10.295/01, conhecida também por Lei da Eficiência Energética, tem por principal objetivo a restrição e comercialização de equipamentos pouco eficientes.
Por fim, medidas relacionadas a eficiência energética em edificações foram tomadas em 2003, com a criação do Plano de Ação para a Eficiência Energética em Edificações, também conhecido por PROCEL Edifica e em 2009, com mais uma parceria entre o PROCEL com o INMETRO que resultou na publicação da primeira Etiqueta de Eficiência Energética em Edifi-cações.
Durante todo esse período, o PROCEL busca apresentar ao consumidor final conceitos de conservação de energia, os quais estão diretamente relacionados a uma redução dos impactos ambientais.
Além disso, conta com o apoio dos mais diversos órgãos, investidores e dirigentes do setor de energia elétrica, sendo estes os principais: Sistema Eletrobrás, Ministério de Minas e Energia (MME), INMETRO, Empresa de Pesquisa Energética (EPE), Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia (ABESCO), Agência Nacional de Ener-gia Elétrica (ANEEL), Instituto Nacional de Eficiência Energética (INEE), Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e a Associação Brasileira da Indústria de Ilu-minação (ABILUX) (PROCEL e ELETROBRÁS, 2010).
O consumo de energia elétrica no Brasil se divide em três principais setores: residen-cial, comercial e industrial. Sendo o enfoque deste trabalho no setor comerresiden-cial, conforme dados do relatório do PROCEL (2015), os sistemas de iluminação e de ar condicionado apresentam os maiores consumos de energia do setor comercial.
Pesquisas sobre o uso de sistemas de controle da iluminação com melhor aproveita-mento da iluminação natural e automação por meio de sensores de iluminação e dimerização podem levar a ótimos resultados uma vez esta pode ser 35% mais eficiente do que as demais tecnologias de lâmpadas. Já para os sistemas de ar condicionado, está sendo utilizada a tecno-logia inverter, que proporciona uma redução de consumo de até 40% de energia elétrica, com-parado ao condicionador de ar convencional, além da implementação de ações como a etique-tagem de aparelhos, visando informar ao comprador quais são as opções mais eficientes do ponto de vista energético no mercado.
De acordo com Venturini e Pirani (2005) as empresas que desejam alcançar uma es-trutura de custos racionalizada e se tornarem mais competitivas não podem admitir o desperdí-cio ou usar a energia de forma ineficiente e irresponsável. É necessário, pois, incentivar os funcionários a obterem o mesmo produto ou serviço com o menor consumo de energia, elimi-nando desperdícios e assegurando a redução dos custos.
É importante salientar que a eficiência energética não está apenas na utilização de equipamentos certificados, ou seja, aqueles que usam menos recursos para proporcionar a mesma quantidade de energia útil, mas também na correta utilização da energia elétrica. Desli-gar as luzes em ambientes não ocupados, procurando também aproveitar o máximo da ilumina-ção natural e o uso consciente dos aparelhos de ar condicionado são algumas medidas a serem tomadas que proporcionam um grande retorno, tanto financeiro quanto ambiental para o con-sumidor.
O principal motivador para que esse trabalho seja desenvolvido é o fato de buscar soluções concretas em relação a eficiência energética e luminosa dos setores comerciais, sendo
estes de suma importância para as empresas que buscam o mesmo ou superior desempenho utilizando a menor quantidade de energia possível.
A iluminação não tem sua devida atenção, pois há o pensamento de que ela não gera gastos expressivos em comparação com outros equipamentos existentes. A escolha adequada das lâmpadas tem um papel importante no que se trata tanto para eficiência energética quanto luminosa.
Concomitantemente, as edificações têm um papel importante no auxílio da eficiência energética. Sendo assim, fatores como os materiais de construção das paredes, incluindo a cor para as pinturas das mesmas, dos telhados, a maneira como as janelas são capazes ou não de isolar o ambiente interior do ambiente exterior e a iluminação (buscando sempre o máximo aproveitamento da iluminação natural) devem ter sua devida atenção para que possam colaborar na eficiência energética.
1.6.
OBJETIVOS
1.6.1. Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é apresentar um estudo de caso, através da utilização de ferramentas computacionais que irão informar o consumo de energia elétrica de um edifício comercial localizado na cidade de Cruz Alta, Rio Grande do Sul. Para a simulação, haverá a necessidade de coletar informações como localização, dados meteorológicos, horários de fun-cionamento, cargas internas e número de pessoas e equipamentos presentes na zona (local em questão). Com os resultados obtidos, serão aplicadas algumas medidas de eficiência energética e luminosa para a edificação em uma nova simulação, buscando uma redução do consumo de energia elétrica entre a edificação atual e a edificação com as medidas propostas.
1.6.2. Objetivos específicos
Coletar os dados necessários para a simulação da edificação escolhida;
Avaliar o consumo energético dos equipamentos de climatização e do sistema de iluminação existentes;
Aplicar as medidas de eficiência energética estudadas nas simulações;
Comparar os gastos com energia elétrica da edificação atual com a edificação proposta.
2.
REVISÃO DA LITERATURA
2.1.
CONSUMO ENERGÉTICO NO SETOR COMERCIAL
As classes de consumo são divididas de acordo com cada tipo de consumidor. Con-forme ANEEL (2010), no setor comercial, serviços e outras atividades enquadram-se as unida-des consumidoras que unida-desenvolvem atividaunida-des de prestação de serviços e demais não previstas nos demais setores (industrial, residencial, agrícola, entre outras), dividindo-se nos seguintes subsetores:
Serviços de transporte, exceto tração elétrica; Serviços de comunicações e telecomunicações; Associação e entidades filantrópicas;
Templos religiosos;
Administração condominial: iluminação e instalações de uso comum de prédio ou conjunto de edificações;
Iluminação em rodovias: solicitada por quem detenha concessão ou autoriza-ção para administraautoriza-ção em rodovias;
Semáforos, radares e câmeras de monitoramento de trânsito, solicitados por quem detenha concessão ou autorização para controle de trânsito;
Percebe-se que o setor comercial é caracterizado por uma intensa diversidade de ativi-dades e com isso, tem por consequência um perfil de consumo de energia muito variado.
Por ser um setor muito importante na economia do país, há uma grande necessidade de abordá-lo de maneira representativa.
No Brasil, o volume de eletricidade utilizado pela classe comercial, com o decorrer dos anos, está crescendo em um ritmo acelerado, devido ao fato de uma significativa melhora da economia.
Segundo a EPE (2017), as edificações comerciais e de serviços demonstraram um con-sumo de 18,93% de energia elétrica. Este concon-sumo de energia elétrica é totalizado principal-mente pelo uso dos sistemas de iluminação e sistemas de ar condicionado, como é mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Consumo de energia elétrica por setor no Brasil
Fonte: (Adaptado EPE, 2017)
De acordo com recente levantamento da Empresa de Pesquisa Energética, a quantidade total de energia elétrica consumida em dezembro de 2017 foi de 463.948 GWh, um aumento de 1,7%, comparado ao mês de dezembro de 2016.
A principal classe de consumo de energia elétrica permanece com o setor industrial, responsável pelo uso de 165.883 GWh. A classe residencial aparece em segundo lugar, com 133.904 GWh, seguida pelo setor comercial, com 88.129 GWh. Por fim, diversos setores como o agropecuário e o público foram responsáveis por 76.032GWh (DE LIMA, 2017).
Segundo de Lima (2017), os principais responsáveis pelo crescimento expressivo no consumo de eletricidade nesses setores são: refrigeradores, equipamentos de iluminação e apa-relhos condicionadores de ar, sendo ainda esperado que o consumo por parte de condicionado-res de ar tenha um ccondicionado-rescimento mais rápido do que refrigeradocondicionado-res e equipamentos de ilumina-ção.
Segundo a Eletrobrás – PROCEL (2011), quase metade da energia elétrica produzida pelo Brasil é consumida nos sistemas artificiais de iluminação e climatização.
Quando se trata do consumo final da energia elétrica no setor comercial, os sistemas de climatização lideram, com aproximadamente 47% de toda a energia consumida, seguido pelo consumo com iluminação, com aproximadamente 22% (PROCEL, 2006). Para melhor deta-lhar, a Figura 2 demonstra o consumo final da energia elétrica no setor comercial.
Figura 2 - Uso da energia elétrica pelo setor comercial no Brasil
Fonte: (Adaptado PROCEL, 2006)
2.2.
SISTEMA DE AR CONDICIONADO
O acondicionamento do ar é um processo com o intuito de controlar simultaneamente, em um determinado ambiente, a temperatura, umidade, movimentação e a pureza do ar e com isso trazer mais comodidade ao ambiente frequentado (VIANA, BORTONI, et al., 2012).
Segundo Beltram (2015), os condicionadores de ar básicos são compostos por quatro elementos: evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão.
Nesse sistema, a refrigeração ocorre a partir da transferência de calor do meio onde a evaporadora se localiza para o meio onde a condensadora se encontra.
No evaporador, o fluído de refrigeração, composto por 70% de sua parte no estado líquido e 30% vapor, absorve o calor presente no ar do ambiente a ser refrigerado e evapora completamente. A seguir, esse fluído, já no estado gasoso, é sugado pelo compressor, onde é comprimido para vapor de alta pressão e temperatura. Esse vapor se desloca até o condensador, perde calor para o ambiente externo e condensa (passa para o estado líquido). Por fim, a válvula de expansão expande o fluído, deixando novamente no estado praticamente líquido, comple-tando o ciclo.
A Figura 3 ilustra os principais componentes e o ciclo de um condicionador de ar bá-sico.
Figura 3 – Esquema do ciclo de refrigeração básico
Fonte: (Adaptado Beltram, 2015, f. 22)
O setor comercial é constituído por sistemas de ar condicionado central, VRF, split e de parede. Cerca de 77% das instalações comerciais fazem uso dos sistemas de ar condicionado do tipo split e parede (ELETROBRÁS, 2007). Na Figura 4, são apresentados os condicionado-res de ar pcondicionado-resentes no setor comercial.
Figura 4 – Tipos de condicionadores de ar existentes no setor comercial
Fonte: (Adaptado PROCEL, 2006)
2.2.1. Sistema split
O sistema ar condicionado split é dividido em duas partes: evaporadora e condensa-dora. A primeira fica instalada na parte interna do cômodo e distribui o ar pelo ambiente, en-quanto a segunda, localizada na parte externa, resfria o ar. A Figura 5 representa um sistema condicionador de ar split.
Figura 5 - Sistema condicionador de ar split
Fonte: (Tebchirani, 2011, f. 27)
2.2.2. Sistema VRF
O sistema de ar condicionado VRF, também conhecido por VRV, é caracterizado pela variação do fluxo refrigerante através do uso de compressores de velocidade variável na uni-dade externa e válvulas de expansão eletrônicas em cada uniuni-dade interna existente. Seu dife-rencial é possuir apenas uma unidade externa (condensadora) que realiza o controle de diversas unidades internas (evaporadora).
Cada unidade interna possui uma válvula de expansão eletrônica para controle do fluxo de fluido refrigerante evitando a instabilidade de temperatura e garantindo o conforto. Além disso, as unidades condensadoras possuem de um a três compressores de acordo com sua capa-cidade, podendo ser 100% inverter ou combinado entre fixos e inverter.
Os menores consumos de energia se dão quando o sistema se encontra trabalhando em cargas parciais, isto é, quando as válvulas de expansão eletrônicas nas unidades internas dimi-nuem a passagem do fluido por atingirem a temperatura selecionada para o ambiente.
Uma grande vantagem desse sistema está relacionada ao controle individual de cada ambiente, que pode funcionar de maneira independente, de acordo com as programações dos usuários. A Figura 6 demonstra como é um sistema condicionador de ar tipo VRF utilizado por exemplo em um prédio comercial com escritórios.
Figura 6 - Sistema condicionador de ar tipo VRF
Fonte: (Frigelar, 2017)
2.3.
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL
A iluminação artificial é essencial para o funcionamento do setor comercial, pois per-mite a execução de tarefas em locais distantes da fachada ou em horários em que a luz natural não atinge os níveis de iluminação adequados (MIZGIER e LABEEE,2011).
Segundo Bertolotti (2007), a iluminação determina tudo aquilo que vemos e como ve-mos e por esse motivo ela é um importante aspecto na alteração do humor, percepção do espaço e bem-estar do indivíduo, de maneira diferente em cada pessoa.
Os níveis de iluminância determinam a quantidade ideal de iluminação para a execu-ção de cada tipo de tarefa. Para que as atividades transcorram da melhor maneira possível, torna-se necessário a garantia dos níveis corretos de iluminação nos ambientes comerciais, per-mitindo o desempenho das tarefas por seus usuários em condições de conforto e salubridade (MIZGIER e LABEEE, 2011).
Como já foi apresentado, o sistema de iluminação costuma ser o responsável pela se-gunda maior parte da energia elétrica consumida. Conforme Salomão (2010), é importante sa-lientar que grande parte do consumo da energia elétrica pela iluminação está associada a três fatores:
Projetos luminotécnicos inadequados: O superdimensionamento de projetos re-lacionados a iluminação faz com que sejam utilizadas lâmpadas ineficientes e ainda ocorra a disposição incorreta das luminárias;
Utilização incorreta: Um fato muito comum de acontecer é a falta de conscien-tização individual ou coletiva no uso da iluminação, mantendo acesa em ambi-entes desnecessários;
Manutenção inadequada: Por vezes, em alguma troca de lâmpada ou luminária, acontece o uso de equipamentos incorretos para determinado ambiente, acar-retando na diminuição dos níveis de iluminância e ainda em depreciações ex-cedentes dos equipamentos.
Nos setores comerciais, os sistemas de iluminação são constituidos principalmente por lâmpadas fluorescentes tubulares, pois apresentam alta eficiência e durabilidade. Além disso, há também uma diversidade de lâmpadas utilizadas, cada uma de acordo com o tipo de utilização. Na Tabela 1, são apresentados os tipos mais comuns de lâmpadas existentes no setor comercial e algumas de suas características.
Tabela 1 – Eficiência luminosa das lâmpadas comerciais
Tipo de lâmpada Fluorescente Tubular Fluorescente Compacta
Fluxo Luminoso (lm) 650 à 8300 400 a 2900
Potência (W) 15 à 110 7 à 26
Eficiência (lm/W) 56 à 90 44 à 80
Vida útil (horas) 7500 10000
IRC (%) 70 à 79 80 à 89
TCC (K) 5250 à 6500 2700 à 4000
Dimerizável Depende do reator Depende do reator
Fonte: (Adaptado de Rezende; Orlando, 2014, p. 6)
Além das fontes luminosas citadas, é também utilizada as lâmpadas LED, entretanto há necessidade de um grande investimento inicial para que essa tecnologia demonstre resulta-dos eficientes, em comparação com as lâmpadas fluorescentes. Dessa maneira, pesquisas estão sendo desenvolvidas para baratear e aperfeiçoar o desenvolvimento da tecnologia para lâmpa-das LED.
Segundo o Ministério de Minas e Energia (2013) os sistemas de iluminação podem ser classificados quanto à forma como as luminárias são distribuídas no ambiente ou pelo fluxo luminoso que é distribuído pela luminária, ou seja, de acordo com a quantidade desse fluxo luminoso que é emitido para cima e para baixo do plano horizontal da luminária ou lâmpada.
Ainda conforme o Ministério de Minas e Energia (2013), para a classificação quanto à forma como as luminárias são distribuídas no ambiente, podem ser divididas em iluminação geral, iluminação localizada e iluminação de tarefa.
Ilustrado na Figura 7, a iluminação geral se caracteriza pela distribuição uniforme das luminárias no teto, a partir de cálculos luminotécnicos que possam informar a quantidade mí-nima necessária de luminárias para o ambiente desejado. Possui uma maior flexibilidade no arranjo e na disposição interna do ambiente, porém com um grande consumo de energia elétrica e a possibilidade de insuficiência na iluminância necessária (Ministério de Minas e Energia, 2013).
Figura 7 – Representação da iluminação geral
Fonte: (Ministério de Minas e Energia, 2013)
No caso da iluminação localizada, ilustrada na Figura 8, ocorre a concentração das luminárias em um local específico e devem ser instaladas em alturas que possam cobrir sufici-entemente todas as superfícies, possibilitando altos níveis de iluminância sobre o ambiente de trabalho, ao mesmo tempo que assegure uma iluminação geral suficiente para eliminar fortes contrastes. Além disso, a iluminação localizada promove uma maior economia de energia, já que as luminárias são posicionadas de tal forma que evite ofuscamento e sombras indesejadas. Por outro lado, em caso de mudança de algum cômodo ou do layout do ambiente, é necessário que as luminárias sejam reposicionadas, afim de manter a mesma eficiência luminosa (Minis-tério de Minas e Energia, 2013).
Figura 8 – Representação da iluminação localizada
Em se tratando de iluminação em uma área menor e que as luminárias sejam dispostas mais próxima da tarefa visual e do plano de trabalho, é utilizada a iluminação de tarefa, repre-sentada na Figura 9. Esse tipo de iluminação fornece uma maior economia de energia e controle dos efeitos luminotécnicos, porém deve ser complementada por outra modalidade de ilumina-ção, como por exemplo, a iluminação geral (Ministério de Minas e Energia, 2013).
Figura 9 – Representação da iluminação de tarefa
Fonte: (Ministério de Minas e Energia, 2013)
Conforme o Ministério de Minas e Energia (2013), em relação à forma pela qual o fluxo luminoso é distribuído pela luminária, pode-se classificar da seguinte maneira: ilumina-ção direta, iluminailumina-ção indireta e iluminailumina-ção direta-indireta.
Para a iluminação direta, são utilizadas as luminárias embutidas ou fixadas no teto, afim de proporcionar uma iluminação direta e vertical incidente ao plano de trabalho. Oferece uma maior economia de energia, porém pode desfavorecer o controle do ofuscamento pela vi-são direta ou indireta da fonte (Ministério de Minas e Energia, 2013). A Figura 10 ilustra o fluxo luminoso através da iluminação direta.
Figura 10 – Fluxo luminoso na iluminação direta
Já no caso da iluminação indireta, representada pela Figura 11, são utilizadas luminá-rias do tipo suspensas, concentradas nas áreas de trabalho ou distribuídas em todo o ambiente de maneira uniforme, com o fluxo luminoso direcionado principalmente para o teto.
Dessa maneira, o resultado no plano de trabalho é uma iluminação indireta e difusa, com um maior conforto visual, maior controle da uniformidade da luz do local e uma ilumina-ção sem ofuscamento, porém com um maior consumo de energia elétrica (Ministério de Minas e Energia, 2013).
Figura 11 – Fluxo luminoso na iluminação indireta
Fonte: (Ministério de Minas e Energia, 2013)
Em se tratando de iluminação direta-indireta, ilustrada na Figura 12, são utilizadas as luminárias suspensas, concentradas nas áreas de trabalho ou distribuídas homogeneamente no ambiente, com seus fluxos luminosos direcionados verticalmente tanto para o teto quanto para o plano de trabalho, numa proporção definida pelo projeto luminotécnico e de acordo com o ambiente escolhido.
Figura 12 – Fluxo luminoso na iluminação direta-indireta
2.3.1. Conceitos de luminotécnica
Segundo Nascimento (2006), para que a aplicação dos princípios luminotécnicos se-jam satisfatórios é necessário a compreensão dos fenômenos de formação e percepção da luz nos seus aspectos fisiológicos, psicológicos e de aplicação técnica.
Além disso, conforme o PROCEL (2011), nos projetos luminotécnicos eficientes, é necessário buscar:
Boas condições de visibilidade; Boa reprodução de cores; Economia de energia elétrica;
Facilidade e menores custos de manutenção; Preço inicial compatível;
Utilizar a iluminação local de reforço;
Combinar a iluminação natural com a artificial;
Para isso, serão apresentados definições e os principais conceitos relacionados à lumi-notécnica, afim de utilizar posteriormente neste trabalho.
2.3.2. NBR ISO 8995-1/2013
A norma NBR ISO 8995-1, em sua última versão publicada no ano de 2013, trata a respeito dos requisitos mínimos de iluminação para locais de trabalho internos e os requisitos para que as pessoas possam desempenhar tarefas visuais de maneira eficiente, com conforto e segurança durante todo seu período de trabalho.
A Tabela 2apresenta alguns níveis de iluminância definidos pela norma. Tabela 2 – Níveis de iluminância definidos pela NBR ISO 8995-1/2013
Classes de tarefa Iluminância (lux) Ambiente de execução
CLASSE A 20 - 200
Ruas públicas, estacionamentos ou ambientes de pouca
perma-nência
CLASSE B 200 – 2000 Escritórios e auditórios
CLASSE C 2000 – 20000
Trabalhos contínuos que exigem exatidão, como por exemplo
sa-las de cirurgia Fonte: (ABNT NBR ISO 8995-1, 2013)
2.3.3. Iluminância
É a incidência do fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz em um determinado ambiente ou local específico.
Segundo Beltram (2015), devido a não uniformidade da distribuição do fluxo luminoso por uma fonte, a iluminância não será a mesma em todos os pontos de uma superfície e por isso, geralmente é determinado um valor médio, podendo esta ser calculada com o auxílio de um luxímetro, aparelho no qual se calcula o valor da iluminância.
A unidade utilizada pelo SI é o lux. Desta forma calcula-se a iluminância através da Equação 1:
𝐼 =𝛷
A (1)
Onde:
I = iluminância (lux);
𝛷 = fluxo luminoso da lâmpada (lúmen); A = área da superfície calculada (m²).
2.3.4. Fluxo luminoso nominal
Trata a respeito da potência de radiação emitida por uma lâmpada ou qualquer fonte de luz na sua tensão nominal de funcionamento.
É fundamental para a escolha das lâmpadas a serem utilizadas em um ambiente, visto que possuem características distintas, fazendo com que se escolha aquelas com um valor de fluxo luminoso nominal superior. A unidade de medida utilizada é o lm (lúmen).
2.3.5. Eficácia luminosa
A eficácia luminosa de uma lâmpada é encontrada através do quociente entre o fluxo luminoso emitido por uma fonte em lumens e a potência consumida em watts. Sua unidade de medida é o lm/W (lúmen por watt).
2.3.6. Índice de reprodução de cor
O índice de reprodução de cor é a aparência cromática da luz emitida por uma fonte luminosa. Quanto maior a temperatura de cor, mais branca é a tonalidade da luz emitida.
No sistema internacional de medidas, o IRC é um valor numérico presente em uma escala de 0 até 100, classificado a partir da qualidade relativa de reprodução de cor de uma fonte, quando comparada com uma fonte padrão de referência que possui a mesma temperatura de cor (VIANA, et al., 2012). Quanto maior esse valor, melhor será o equilíbrio entre as cores.
2.3.7. Luminância
Muitas vezes a luminância é confundida com a iluminância, porém são totalmente dis-tintas. O conceito luminância descreve a quantidade de emissão de luz medida que reflete atra-vés de uma determinada superfície em uma certa angulação.
Ela também indica a quantidade de energia luminosa percebida pelo olho humano, ou seja, se refere ao brilho da luz emitida ou refletida em uma superfície.
O aparelho utilizado para a medição da luminância é o colorímetro. A unidade utilizada no SI para a luminância é o cd/m² (candela por metro quadrado).
2.4.
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SETOR COMERCIAL
Segundo a Eletrobrás – PROCEL (2013), cerca de 50% da energia elétrica consumida no Brasil é destinada principalmente para os sistemas de climatização, iluminação e aqueci-mento de água.
Com todo esse retrospecto, há uma necessidade de implementar ações que foquem na conservação de energia e minimizem impactos ambientais afim de induzir os consumidores e produtores de energia elétrica a atingir as metas definidas pelo Setor de Energia (Ministério de Minas e Energia, 2017).
O Brasil possui, há pelo menos vinte anos, programas relacionados a Eficiência Ener-gética de grande importância, sendo estes com reconhecimento internacional: o Programa Na-cional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) e o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE).
Além disso, em 24 de julho de 2000 foi promulgada a Lei nº 9.991, na qual é regula-mentada a obrigatoriedade, das empresas brasileiras distribuidoras de energia, de se fazer in-vestimentos em programas de eficiência energética.
No dia 3 de maio de 2016 foi alterada a Lei nº 9.991 para a Lei nº 13.280, fazendo com que o PROCEL tivesse direito a 0,1% de toda a receita operacional líquida das distribuidoras de energia para investir em ações relacionadas a eficiência energética (Ministério de Minas e Energia, 2017).
Sendo indicado como um dos maiores potenciais de aumento no consumo de energia elétrica, visto que há uma perspectiva de melhora gradual na economia, de acordo com dados da EPE (2017), o setor comercial apresentou em 2017 um aumento de consumo de 0,3% em relação a 2016.
De acordo com o Ministério de Minas e Energia (2011) calcula-se que através de me-didas de eficiência energética, o potencial de redução de consumo de energia neste setor seja de até 30% em edificações antigas e 50% em edificações novas.
Uma das medidas mais modernas e utilizadas no mundo para conter a expansão do consumo sem comprometer a qualidade de vida e desenvolvimento econômico tem sido o esti-mulo ao uso eficiente.
Assim, o estudo da eficiência energética nas instalações do setor comercial deve partir de uma análise no consumo total da edificação, buscando os potenciais de conservação de ener-gia. A partir dessa análise será possível propor alternativas, podendo ser a redução de perdas com equipamentos ou substituir as fontes energéticas.
2.4.1. Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica
Instituído em 30 de dezembro de 1985, através da portaria interministerial nº 1.877 pelos Ministério de Minas e Energia e Ministério da Indústria e Comércio do Brasil, o PRO-CEL, gerido pela Eletrobrás, tem atuado cada vez mais nos diversos setores de consumo, pro-curando reduzir e conscientizar sobre a importância do uso eficiente da energia elétrica.
Segundo a Eletrobrás (2016), estudos realizados no ano de 2015 relataram que o PRO-CEL contribuiu com uma redução no consumo de aproximadamente 11,7 bilhões de kWh, o que equivale a 2,5% do consumo total de energia elétrica no Brasil durante o ano.
Sendo um dos responsáveis por essa redução, o selo PROCEL de economia de energia, criado em 8 de dezembro de 1993, tem por enfoque ser uma ferramenta simples e eficaz que
permite ao consumidor, na hora de comprar algum equipamento eletrodoméstico ou eletrônico, aqueles que são mais eficientes e que consomem menos energia.
2.4.2. Programa Brasileiro de Etiquetagem
A busca pela conscientização sobre a eficiência energética teve seus primeiros passos no ano de 1984, através do INMETRO.
Surgiu, de forma pioneira, a partir de discussões com a sociedade brasileira sobre a importância da conservação e uso racional, informando aos consumidores sobre a eficiência energética de cada produto e assim estimular uma compra mais consciente. Em parceria com o CONPET, este projeto cresceu e se transformou no Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE). Com a criação da lei 10.295 de 17 de outubro de 2001, conhecida como Lei da Efici-ência Energética, o PBE iniciou uma série de exigEfici-ências relacionadas ao desempenho dos mais diversos produtos, estabelecendo valores mínimos de eficiência energética de acordo com o Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética (CGIEE) (DE LIMA, 2017).
Buscando auxiliar o consumidor na compra de equipamentos elétricos eficientes, foi inserida a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE).
2.4.3. Etiquetagem de nível de eficiência energética para edificações
comer-ciais
No ano de 2009 o INMETRO através do PBE Edifica, com objetivo de estimular con-dições mínimas de eficiência energética para edificações comerciais, de serviços e públicas, foi divulgada a primeira versão dos Requisitos Técnicos da Qualidade para o nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos, conhecido por RTQ-C.
Voluntária e aplicável à edifícios com área útil superior a 500m² ou atendidos por alta tensão (grupo tarifário A), a etiqueta PBE edifica é concebida aos edifícios que possuem seus sistemas de iluminação, ar condicionado e envoltória avaliados, através de uma classificação variando de nível A (mais eficiente) até nível E (menos eficiente), como mostra a Figura 13 (MIZGIER e LABEEE, 2011).
Figura 13 – Etiqueta PBE para edificações comerciais, de serviços e públicas
Fonte: (Mizgier e LabEEE, 2011)
De acordo com de Lima (2017), a RTQ-C avalia de maneira separada os três grupos principais de requisitos que estabelecem o nível de eficiência da edificação, sendo cada um deles com um peso diferente na edificação:
Sistema de iluminação: 30%; Sistema de ar condicionado: 40%; Envoltória: 30%;
Para a classificação do sistema de iluminação são avaliados a potência instalada para o sistema de iluminação artificial e as opções de acionamento e aproveitamento da luz natural consideradas no projeto luminotécnico. Quanto ao sistema de ar condicionado, a avaliação é feita no desempenho energético através do coeficiente de performance global para sistemas independentes (janela e split) ou centrais. Por fim, a classificação da envoltória visa avaliar os
elementos do projeto arquitetônico, como por exemplo a orientação solar, superfície envidra-çada, propriedades térmicas dos materiais e o sombreamento da fachada (MIZGIER E LA-BEEE, 2011).
Com isso, os edifícios comerciais, de serviços e públicos que obtiverem a etiqueta PBE edifica, estão aptos para receberem o selo PROCEL edificações, mostrado na Figura 14, garan-tindo assim, uma ferramenta importante ao mercado consumidor que busca adquirir e utilizar imóveis mais eficientes.
Figura 14 – Selo PROCEL de eficiência energética para edificações
Fonte: (Mizgier e LabEEE, 2011)
2.5.
MEDIDAS PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NOS APARELHOS
DE AR CONDICIONADO
As práticas para estimular o uso eficiente da eletricidade se dividem em duas principais vertentes: ações educativas que visam estimular o uso eficiente da energia elétrica, de modo que não comprometa a qualidade de vida e desenvolvimento econômico, que é o caso do PRO-CEL, citado anteriormente e investimentos em equipamentos e instalações mais eficientes.
Segundo de Lima (2017), na busca de uma melhor eficiência e economia de energia em relação aos sistemas condicionadores de ar, está sendo implantada a tecnologia inverter. Fabricantes garantem que equipamentos com essa tecnologia podem apresentar uma redução de consumo de até 40% de energia elétrica, comparado ao condicionador de ar convencional.
Utilizada em aparelhos com compressores rotativos, essa tecnologia utiliza um inver-sor de frequência que permite a variação na rotação do compresinver-sor, a partir do controle de velocidade do motor elétrico, conforme a temperatura desejada é atingida.
Esquematizado na Figura 15, de Lima (2017) cita ainda sobre as diferenças do condi-cionador de ar convencional e um com a tecnologia inverter:
Ao contrário de um equipamento convencional, que a partir de um termostato, liga e desliga o compressor conforme a temperatura desejada é atingida, o compressor nunca desliga, garantindo uma certa estabilidade na temperatura do ambiente a ser refrige-rado (DE LIMA, 2017, f. 61).
Figura 15 – Comparativo entre o sistema inverter e o convencional
Fonte: (Fujitsu General, 2016)
Pode-se citar algumas vantagens presentes na tecnologia inverter, segundo de Lima (2017):
Motor parte em rampa, ao invés de partida direta, ou seja, a partida em rampa, conhecida como soft starter, não terá problemas associados a alta corrente de partida, pois logo será próxima a corrente nominal e assim não causará inter-ferência em outros equipamentos ligados na mesma instalação;
Atinge a temperatura desejada rapidamente e a mantém constante, com pouca oscilação;
2.6.
MEDIDAS PARA A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E LUMINOSA NOS
SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO
De maneira geral, um sistema de iluminação bem dimensionado deve apresentar um menor consumo de energia elétrica comparado àqueles que não atendem as normas de ilumina-ção (IWASHITA, 2004, apud SALOMÃO, 2010).
Algumas medidas podem ser tomadas para obter maiores níveis de eficiência energé-tica em sistemas de iluminação:
Maior aproveitamento da iluminação natural;
Realização de limpezas periódicas nos sistemas de iluminação artificial; Modificações em equipamentos, substituindo lâmpadas ou reatores com
meno-res índices de eficiência;
Correto dimensionamento através de cálculos luminotécnicos, afim de utilizar lâmpadas com a iluminância correta para o ambiente escolhido;
Implantação de controle individual de acendimento de lâmpadas, pois a grande maioria dos sistemas de iluminação são compostos, ou seja, o controle de acen-dimento é feito por um interruptor e caso apenas uma pequena área esteja sendo utilizada, todas as luminárias ficarão acesas. Para isso, existem sensores de presença, temporizadores, minuterias (SALOMÃO, 2010).
Além de todas essas medidas, um dos recursos que merece atenção e que está sendo cada vez mais difundido pelos fabricantes é a dimerização de lâmpadas.
Conforme de Castro (2017), com o intuito de reduzir o consumo de energia elétrica, os dimmers são dispositivos usados para variar o fluxo luminoso da lâmpada de acordo com a intensidade de corrente elétrica fornecida, ou seja, a dimerização é baseada no controle de po-tência entregue a lâmpada proporcionando uma variação de 0 a 100%.
Para que a dimerização seja possível, é necessário que a fonte de alimentação da lâm-pada permita a variação na potência fornecida. Em alguns casos de luminárias, utiliza-se drivers e transformadores, como na Figura 16. Já para outros, deve ser consultado os catálogos dos fabricantes de luminárias.
Figura 16 – Esquema de funcionamento de lâmpadas dimerizáveis
Fonte: (de Castro, 2017, p. 10)
2.7.
SOFTWARES PARA SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
Com um custo muito pequeno e um grande retorno, os softwares para simulações com-putacionais têm grande destaque nos estudos de eficiência energética nas edificações. O uso de softwares está cada vez mais presente, pelo fato de estar associado à sua capacidade de realizar diversos testes, sob diversas circunstâncias e através dos resultados, o usuário pode decidir quais serão as medidas a serem tomadas, de acordo com suas necessidades.
Para os estudos de eficiência energética e luminosa, o uso de ferramentas computaci-onais é essencial, visto que é necessário avaliar o desempenho dos equipamentos a curto e longo prazo, além da participação de outros fatores, como por exemplo propriedades térmicas e físicas dos materiais, clima e influência do ser humano.
Entre as diversas ferramentas computacionais existentes para simulação em eficiência energética e luminosa, foram escolhidas três, sendo estas o SketchUp, OpenStudio e Ener-gyPlus. O diagrama apresentado na Figura 17 representa o procedimento do uso das ferramentas computacionais para simulação.
Figura 17 – Diagrama do uso das ferramentas computacionais para simulação
Fonte: (de Andrade, 2016, p. 23)
2.7.1. SketchUp
Desenvolvido pela At Least Software, sendo posteriormente adquirido pela Trimble Navigation, empresa que atualmente detém os direitos do programa, o SketchUp é um software utilizado para a modelagem 3D das mais diversas estruturas necessárias.
Por ter uma interface simples e muito intuitiva, com poucas horas de uso o usuário obtém o mínimo conhecimento necessário para aplicar algumas técnicas de desenho fornecidas pelo software.
A versão do SketchUp utilizada neste trabalho é a 17.2.2555, fornecida no ano de 2017. Na Figura 18 é apresentada a interface inicial do SketchUp com algumas ferramentas de traba-lho.
Figura 18 – Interface inicial do SketchUp
2.7.2. OpenStudio
Operando em paralelo com o SketchUp, o software OpenStudio é um plug-in gratuito, utilizado para converter os desenhos e informações inseridas no SketchUp em relatórios neces-sários para a simulação no EnergyPlus.
A versão do OpenStudio utilizada neste trabalho é a 2.6.0. A Figura 19 demonstra a interface inicial do OpenStudio, com suas subdivisões existentes.
Figura 19 – Interface inicial do OpenStudio
Fonte: (Próprio Autor, 2018)
2.7.3. EnergyPlus
Oferecido e obtido gratuitamente através do National Renewable Energy Laboratory, em conjunto com o Department of Energy dos EUA, a Universidade de Illinois dos EUA e a GARD Analytics, o EnergyPlus é uma ferramenta computacional utilizada para a simulação térmica e a análise energética de edificações e dos sistemas que compõe.
O EnergyPlus é um programa de simulação energético voltado para profissionais como engenheiros, arquitetos ou pesquisadores e uma de suas funções é modelar o consumo de ener-gia (em resfriamento, aquecimento, ventilação, iluminação), podendo ser aplicado em qualquer tipo de edificação, desde que seja utilizado dados como as cargas internas da edificação em estudo (iluminação, equipamentos, etc), dados climáticos do local da edificação e informações sobre a estrutura (pé direito, área total, etc).
Por ter uma interface bastante rudimentar e de difícil entendimento, são sugeridas fer-ramentas como o SketchUp e o OpenStudio, os quais buscam facilitar as etapas de trabalho, como demonstrado na Figura 20. A versão do EnergyPlus utilizada neste trabalho é a 8.9.0.
Figura 20 – Esquema de módulos do EnergyPlus
Fonte: (Nevene, 2016, p. 20)
3.
METODOLOGIA
A metodologia utilizada no desenvolvimento deste trabalho consiste em simulações computacionais que avaliem o impacto da aplicação de medidas de eficiência energética e lu-minosa no ambiente comercial escolhido.
Em um primeiro momento será analisada o consumo de energia elétrica da edificação atual de acordo com as características informadas pelas plantas arquitetônicas, memoriais des-critivos e projeto elétrico.
Em um segundo momento serão analisadas algumas medidas de eficiência energética propostas para os sistemas existentes na clínica e medidas de eficiência luminosa propostas para o sistema de iluminação da edificação atual.
3.1.
APRESENTAÇÃO DA EDIFICAÇÃO COMERCIAL
A Clínica Equilibrium está localizada na Rua Procópio Gomes, 933, Centro, 98005-250, Cruz Alta – RS, com suas atividades diárias de segunda à sexta, das 08:00 as 12:00 e das 14:00 as 18:00.
A Equilibrium iniciou suas atividades em 2001 com o Dr. Élvio de Almeida Pereira, médico especialista em cirurgia bariátrica e responsável pela Equilibrium. Com sua visão de que a obesidade é uma doença multifatorial, uniu profissionais de diversas áreas para oferecer um melhor tratamento ao paciente obeso de forma interdisciplinar. A Figura 21 apresenta uma foto da edificação em estudo.
Figura 21 – Edifício da Clínica Equilibrium
Fonte: (Próprio Autor, 2018)
Totalizando aproximadamente 937 m² de área construída, a Clínica Equilibrium é di-vidida em dois pavimentos (térreo e subsolo).
Sua divisão de ambientes é bastante diversificada, sendo composta no térreo por: re-cepção, sala de espera, cinco banheiros, nove consultórios médicos, administração, depósito e cozinha.
No subsolo por: academia, piscina, dois banheiros e garagem. As plantas baixas da edificação estão inseridas no Anexo A, incluindo também outros detalhes pertinentes ao projeto arquitetônico.
3.2.
MODELAGEM GEOMÉTRICA DA EDIFICAÇÃO
Para realizar a simulação da edificação escolhida, inicialmente foi realizada a modela-gem geométrica da edificação no software SketchUp, como apresentado na Figura 22. É neces-sário que seja modelada todas as estruturas da clínica no SketchUp, afim de que o OpenStudio receba essas informações, possa inserir as propriedades térmicas e físicas desses materiais e o EnergyPlus consiga desenvolver os cálculos térmicos (trocas de calor entre os ambientes) e forneça os consumos de energia elétrica final dos equipamentos.
Figura 22 - Modelo geométrico feito no SketchUp da Clínica Equilibrium
Fonte: (Elaborado pelo Autor, 2018)
A modelagem geométrica da edificação foi feita através da separação dos ambientes em zonas térmicas. Estas zonas térmicas são utilizadas para definir um volume que é servido por um sistema de ar condicionado, seja ele de aquecimento ou resfriamento. Estas zonas são divididas entre as que possuem ou não sistema de ar condicionado, como apresentado na Tabela 3.
Os equipamentos de ar condicionado utilizados possuem uma potência média de 12.000 BTUs, sendo estes alocados principalmente nos consultórios e administração. Em outros ambientes, como recepção, cozinha e sala de conferências, devido ao maior espaço, são utiliza-dos aparelhos de ar condicionado com a potência média de 18.000 BTUs.
Tabela 3 – Divisão dos ambientes da clínica em zonas térmicas.
Zona térmica Ambiente da clínica
1 Recepção 2 Sala de espera 3 Administração 4 Sala de conferências 5 Consultório 1 6 Consultório 2 7 Consultório 3 8 Consultório 4 9 Consultório 5 10 Consultório 6 11 Consultório 7 12 Consultório 8 13 Consultório 9 14 Cozinha
Fonte: (Elaborado pelo Autor, 2018)
Durante a realização da modelagem geométrica e atribuição das zonas térmicas, é ne-cessário que se informe ao OpenStudio quais são os ambientes climatizados da edificação. Dessa maneira, a partir da área e da potência média do aparelho de ar condicionado fornecidos ao OpenStudio, são realizados os cálculos do consumo de energia elétrica com os equipamentos de ar condicionado.
A edificação em questão possui zonas térmicas condicionadas apenas no térreo, como apresentado na Figura 23, sendo estas zonas térmicas os consultórios, a recepção, sala de con-ferência e administração. As zonas não climatizadas estão representadas pelos banheiros, cor-redores e área de serviço.
Figura 23 - Ambientes climatizados no térreo
Em se tratando do subsolo da edificação, representado na Figura 24, não há nenhuma zona térmica climatizada, devido ao fato de que há uma concentração muito menor de pessoas nesses ambientes, tais como piscina de hidroginástica, garagem, academia, corredores e ba-nheiro, sendo desnecessário o uso de climatização nesses ambientes.
Figura 24 - Ambientes climatizados no subsolo
Fonte: (Elaborado pelo Autor, 2018)
3.2.1. Localização geográfica da edificação
A edificação simulada encontra-se localizada na cidade de Cruz Alta, nas coordenadas geográficas de latitude -28º 64’, longitude -53º 60’ e altitude 470 metros em relação ao nível do mar.
A posição geográfica da edificação é importante na simulação, pois através dela são fornecidas as temperaturas médias registradas na cidade utilizadas para os cálculos térmicos pertinentes ao EnergyPlus.
3.2.2. Elementos construtivos da edificação
Para que seja realizada a simulação com a maior precisão possível, é necessário infor-mar ao OpenStudio os elementos construtivos da edificação e as propriedades físicas da envol-tória da edificação.
As informações foram obtidas nos memoriais descritivos da edificação e apresentadas na Tabela 4.
Tabela 4 – Lista de materiais utilizados na construção da clínica Lista de Materiais
Elemento construtivo Camada
Janelas Vidro comum
Paredes externas e internas Tijolo 6 furos, revestimento (reboco)
Piso Granito, cerâmico antiderrapante e argamassa
Porta e fachada de vidro Vidro temperado
Portas internas Madeira
Teto Laje de concreto e revestimento (reboco)
Teto para iluminação Tijolo de vidro
Telhado para iluminação Alumínio e vidro laminado
Telhado Laje impermeabilizada
Fonte: (Memorial descritivo Clinica Equilibrium)
A envoltória da edificação é definida pelos elementos construtivos de sua estrutura, como paredes, portas, janelas e telhado.
Diversos estudos e pesquisas apresentados demonstraram que os elementos da envol-tória de uma edificação impactam diretamente nas cargas internas, como sistemas de ar condi-cionado e sistemas de iluminação.
Dessa maneira, é importante ter conhecimento das propriedades físicas desses materi-ais, afim de propor soluções, através da utilização de materiais com uma menor influência no consumo de energia elétrica.
Com o auxílio da norma NBR 15220-3/2005, que trata a respeito do desempenho tér-mico de edificações, foram obtidos e apresentados na Tabela 5 os valores referentes as propri-edades térmicas dos materiais utilizados na construção da edificação em estudo.
Tabela 5 – Propriedades termofísicas dos materiais da clínica
Material Espessura (m) Densidade (kg/m³) Condutividade Térmica (W/m.K) Calor específico (kJ/kg.K) Granito (incluindo
re-vestimento) 0,1 2500 3,0 0,84
Argamassa 0,005 2000 1,15 1,0
Madeira 0,030 600 0,23 1,34
Laje de concreto e laje
impermeabilizada 0,15 2400 1,75 1,0
Alumínio 0,01 2700 230 0,88
Tijolo 6 furos 0,15 568 0,9 0,92
Além disso, é necessário conhecer algumas propriedades térmicas dos vidros utiliza-dos nas janelas, fachadas e na laje de iluminação. A Tabela 6 apresenta algumas das proprieda-des térmicas proprieda-desses materiais.
Tabela 6 – Propriedades térmicas e óticas dos vidros
Material Fator Solar Transmitância Térmica
(W/m²K)
Vidro comum 0,85 5,8
Vidro laminado 0,28 5,7
Vidro temperado 0,5 5,6
Fonte: (CB3E; ABIVIDRO, 2015)
3.2.3. Equipamentos elétricos
Para cada ambiente foi utilizada a máxima potência elétrica dos equipamentos exis-tentes em cada zona da edificação. A Tabela 7 fornece as potências determinadas a partir das informações coletadas em cada ambiente da clínica.
Tabela 7 – Equipamentos elétricos da clínica
Equipamento Potência (W) Quantidade
Computador 300 12
Aquecedor de água da piscina 1900 1
Geladeira 350 1 Esteiras 1500 4 Chuveiro elétrico 6000 2 Cafeteira elétrica 500 1 Forno elétrico 650 1 Televisão 60 2
Fonte: (Elaborado pelo Autor, 2018)
3.2.4. Sistema de iluminação
De acordo com o projeto elétrico, o sistema atual da clínica é composto por lâmpadas fluorescentes tubulares e compactas. A Tabela 8 fornece a Densidade de Potência de Iluminação (DPI) existente na clínica.
Tabela 8 – Densidade de Potência de Iluminação atual da clínica.
Local DPI (W/m²) Potência (W) Área total iluminada (m²)
Recepção 15 1000 68.5 Conferência 14 1000 74.4 Sala de espera 11 400 38.3 Administração 17 200 12.2 Consultórios (9) 24 3600 147.0 Banheiros (7) 21 900 42.70 Corredores 26 1100 42.30 Depósito 11 100 9.0 Cozinha 15 800 54.5 Academia 19 1300 70.3 Piscina 22 800 36.5 Escadas 5 100 21.2
Fonte: (Elaborado pelo Autor, 2018)
3.2.5. Sistema de ar condicionado
Presentes nas zonas térmicas condicionadas da edificação, os equipamentos condicio-nares de ar da clínica são todos do tipo split e possuem um COP de 3,00. O COP, também conhecido por Coefficient of Performance, ou seja, Coeficiente de Desempenho, representa a eficiência de aquecimento e resfriamento dos sistemas de ar condicionado. Dessa maneira, se um equipamento de ar condicionado gerar 4 kW, seja de ar quente ou frio, com 1 kW de eletri-cidade fornecida, o seu COP será de 4,00.
De acordo com os dados fornecidos pelos equipamentos da clínica, a potência média de refrigeração e aquecimento dos aparelhos de ar condicionado é de 12.000 BTUs para con-sultórios e administração, enquanto em ambientes como recepção, cozinha e sala de conferên-cias é de 18.000 BTUs.
Visando manter o conforto térmico, o software considera que os sistemas de ar condi-cionado operam em uma temperatura de 23ºC no verão e 26,7ºC no inverno.
3.3.
PROPOSTAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Buscando reduzir o consumo de energia elétrica da edificação, serão aplicadas medi-das de eficiência energética nos sistemas de ar condicionado e iluminação, sendo estas medimedi-das apresentadas a seguir:
Primeiramente foi respeitada a divisão entre as zonas existentes na clínica, a fim de buscar resultados reais e mais precisos, para uma futura implementação do projeto;
O sistema de ar condicionado atual, composto por aparelhos split será substi-tuído pelo sistema do tipo VRF;
Para as simulações desse novo sistema, foi considerado um COP de 4,5; As potências de refrigeração e aquecimento do novo sistema são definidas em
modo autosize. Nesse modo, a simulação é realizada com máquinas reais, uti-lizando as máximas potências necessárias para aquecimento e refrigeração em cada zona;
O sistema de iluminação atual, composto por lâmpadas fluorescentes, será substituído por lâmpadas LED.
Para as simulações desse novo sistema, foi empregado o limite máximo acei-tável de DPI exigida pelo Manual RTQ-C, apresentados para cada ambiente da clínica na Tabela 9.
Tabela 9 – Densidade de Potência de Iluminação proposto para clínica
Local DPI (W/m²) Recepção 9 Conferência 14 Sala de espera 9 Administração 12 Consultórios (9) 12 Banheiros (7) 10 Corredores 11 Depósito 9 Cozinha 11.5 Academia 10 Piscina 10 Escadas 6
