Eficiência Energética num Edifício Escolar: Análise de um Caso de Estudo

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U

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Eficiência Energética na Escola

Secundária Filipa de Vilhena

Telma Patrícia dos Santos Borges Martins

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A

J

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: António Carlos Sepúlveda Machado e Moura (Prof. Dr.)

Co-orientador: Fernando Ramos (Eng.o)

Resumo

Nos últimos anos, é crescente a preocupação com o ambiente, sendo imprescindível reduzir o consumo de energias provenientes de combustíveis fósseis e, consequentemente, diminuir as emissões de CO2 e outros gases nocivos ao meio.

Esta dissertação tem como objetivo basilar o estudo da eficiência energética da Escola Secun-dária Filipa de Vilhena, com o intuito de perceber até que ponto é possível a sua maximização, contribuindo, não só para uma poupança anual no valor da fatura energética, mas também para o uso racional da energia e para o desenvolvimento sustentável do planeta. Assim, são abordadas as áreas da iluminação, tarifários, aquecimento, arrefecimento e ventilação (AVAC), qualidade de energia, sendo também estudada a possibilidade de instalar painéis fotovoltaicos com o intuito de se reduzir o consumo de energia da rede.

Inicialmente, é feita uma revisão bibliográfica sobre as áreas-alvo anteriormente mencionadas, onde são referidos conceitos importantes à sua compreensão. De seguida, é apresentado o caso de estudo, onde é possível perceber que existem diversas medidas que devem ser tomadas. Propõe-se efetuar pequenas alterações, consideradas benéficas para o edifício escolar, nomeadamente no sistema tarifário e na iluminação, capazes de originar poupanças anuais consideráveis. Apresenta-se ainda, o projeto fotovoltaico e o estudo da qualidade da energia da instalação. Por fim, faz-Apresenta-se uma análise aos equipamentos de AVAC disponíveis.

Palavras-Chave: AVAC, Eficiência Energética, Edifício Escolar, Iluminação, Sistema Tarifá-rio de Eletricidade, Projeto fotovoltaico, Qualidade de Energia Elétrica

Abstract

In these last years, it is growing the concern for the environment. It is imperative to reduce the energy consumption of fossil fuels and consequently decrease the CO2 emissions and other harmful gases to the planet.

This dissertation aims at basing the study of the Secondary School Filipa de Vilhena’s energy efficiency. We will try to understand if it is possible to extent its maximization, contributing not only to an annual assessment, but also to the rational use of energy and to a sustainable develop-ment. With this purpose, areas such as lighting, tariffs, Heating, ventilation and air conditioning (HVAC) and energy quality are addressed. Finally, we will study the possibility of installing pho-tovoltaic panels, in order to reduce the energy consumption from the grid.

Initially, a bibliographical review is made. We will focus on understanding the basic concepts underlying the energy areas mentioned above. Next, the case study is presented and we will point out suggestions that should be taken. It is proposed to make small changes, beneficial to the building, in its tariff system and lighting that can result in considerable annual savings. The photovoltaic project and the study of the installation’s energy quality are also presented. Finally, it is made an analysis of the HVAC equipment available.

Keywords: Electricity Tariff System, Electric Power Quality, Energy Efficiency, HVAC, Ligh-ting, Photovoltaic Project, School Building

Agradecimentos

Em primeiro lugar, agradeço ao meu orientador, Professor Machado e Moura, não só pela oportunidade concedida e contribuição para o sucesso da minha etapa final enquanto estudante, mas, também por todos os ensinamentos que me transmitiu durante o curso, que me fizeram evo-luir enquanto futura engenheira e, ainda mais importante, enquanto ser humano. É, sem dúvida alguma, um exemplo a seguir, que contagia todos os que tiveram o prazer de o conhecer.

Em segundo lugar, agradeço ao Engenheiro Fernando Ramos, que me possibilitou estudar um tema na área de que mais gosto, em ambiente empresarial. Obrigada por me ter aberto as portas e por, dentro delas, me ter prestado todo o apoio necessário. Foram meses de muito trabalho que me permitiram aprender muito e me deixaram ansiosa por novos desafios e projetos.

Aos que dividiram dias de trabalho comigo na MANVIA, em especial aos Engenheiros Tiago Fernandes e Nuno Pereira e ao João Antunes os quais, humildemente, me ensinaram muito e ajudaram a ultrapassar obstáculos que foram aparecendo.

À direção da Escola Secundária Filipa de Vilhena, por me acolher sempre que necessitei e me disponibilizar o material necessário para a realização desta dissertação.

A todos os amigos, em especial à Vera Santos, que me apoiam diariamente e contribuem para o meu crescimento enquanto pessoa.

À minha ”tia” Cristina, pelas novas perspetivas que me dá do mundo, e das pessoas, e pelo apoio prestado neste meu pequeno percurso.

A todos, o meu Muito Obrigada!

Telma Martins

“A human being should be able to change a diaper, plan an invasion, butcher a hog, conn a ship, design a building, write a sonnet, balance accounts, build a wall, set a bone,comfort the dying, take orders, give orders, cooperate, act alone, solve equations, analyze a new problem, pitch manure, program a computer, cook a tasty meal, fight efficiently, and die gallantly. Specialization is for insects.”

Robert Heinlein

Conteúdo

1 Introdução 1

1.1 Motivação e Objetivos da Dissertação . . . 5

1.2 Estrutura da Dissertação . . . 5

1.3 MANVIA-Manutenção e Exploração de Instalações e Construção . . . 6

2 Eficiência Energética e o Setor Elétrico Português 9 2.1 Fases de uma Auditoria Energética . . . 9

2.2 Redução da Fatura Energética . . . 10

2.2.1 Análise da Fatura Energética . . . 10

2.2.2 Energia Reativa . . . 10

2.2.3 Setor Elétrico Português . . . 13

2.2.4 Eficiência Energética . . . 15

3 Iluminação 17 3.1 Características das Lâmpadas . . . 17

3.2 Iluminância e Iluminância Média . . . 19

3.3 Tipos de Lâmpadas . . . 20

3.3.1 Lâmpadas de Incandescência . . . 20

3.3.2 Lâmpadas de Halogéneo . . . 21

3.3.3 Lâmpadas de Descarga . . . 22

3.3.4 Lâmpada Fluorescente . . . 26

3.3.5 Lâmpada Fluorescente Compacta . . . 26

3.3.6 LED: Díodos Emissores de Luz . . . 27

3.4 Luminárias . . . 27

3.5 Sistemas de Gestão de Iluminação . . . 28

3.5.1 Gestão por Sistema Horário . . . 28

3.5.2 Gestão por Deteção Automática . . . 28

3.6 Equipamentos Auxiliares . . . 29

4 AVAC 31 4.1 Caracterização dos sistemas de AVAC . . . 32

4.1.1 Sistemas ”Tudo-Ar” . . . 34

4.1.2 Sistemas ”Tudo-Água” . . . 35

4.1.3 Sistemas ”Ar-Água” . . . 36

5 Sistemas Fotovoltaicos 37 5.1 Caracterização dos Sistemas Fotovoltaicos . . . 37

5.1.1 Painéis Fotovoltaicos . . . 38

5.1.2 Bateria . . . 40

5.1.3 Regulador de Carga . . . 40

5.1.4 Controlador de Carga . . . 40

5.1.5 Inversor . . . 40

5.1.6 Condutores e Cabos Elétricos . . . 40

5.1.7 Quadros Elétricos . . . 41

5.1.8 Dispositivos de Proteção . . . 41

6 Plano de Promoção da Eficiência no Consumo de Energia Elétrica 43 7 Qualidade da Energia 45 7.1 Desequilíbrio de tensão . . . 45

7.2 Cavas (ocos) de tensão . . . 46

7.3 Variações rápidas e cíclicas de tensão (efeito “flicker”) . . . 47

7.4 Oscilações e variações de frequência . . . 47

7.5 Sobretensões . . . 47

7.6 Distorção da onda de tensão pela presença de Harmónicos . . . 48

8 Caso de Estudo 49 8.1 Análise do Tarifário . . . 53

8.2 Iluminação . . . 55

8.2.1 Qualidade da Iluminação Atual e Possível Redução de Potência . . . 56

8.2.2 Troca das Lâmpadas Existentes por Lâmpadas LED . . . 67

8.3 Qualidade da Energia . . . 69

8.3.1 Poluição Harmónica . . . 70

8.3.2 Tensão nas Fases . . . 75

8.3.3 Frequência . . . 75

8.3.4 Energia Reativa . . . 75

8.3.5 Equilíbrio da Tensão e da Corrente nas 3 Fases . . . 76

8.4 Projeto Painéis Fotovoltaicos . . . 77

8.4.1 Painel Solar a Implementar . . . 79

8.4.2 Sombreamento . . . 79

8.4.3 Configuração de painéis no Telhado . . . 79

8.4.4 Inversor . . . 80

8.4.5 Número máximo e mínimo de painéis por string . . . 80

8.4.6 Número máximo de fileiras em paralelo . . . 81

8.4.7 Dimensionamento dos Inversores . . . 81

8.4.8 Dimensionamento dos cabos e proteções . . . 82

8.4.9 Sombreamento e entre Filas Paralelas de Painéis . . . 90

8.4.10 Configuração de painéis na cobertura do Campo de Jogos . . . 91

8.4.11 Inversor . . . 91

8.4.12 Número máximo e mínimo de painéis por string . . . 92

8.4.13 Dimensionamento dos Inversores . . . 92

8.4.14 Dimensionamento dos cabos e proteções . . . 93

8.4.15 Análise Económica e Considerações Gerais . . . 95

8.4.16 Conclusão Regimes UPP e UPAC . . . 98

8.5 Sistemas AVAC . . . 99

CONTEÚDO xi

9 Conclusões e Trabalho Futuro 103

9.1 Conclusão . . . 103

9.2 Satisfação dos Objetivos . . . 104

9.3 Trabalho Futuro . . . 105

A Caracterização Espaços da Escola 107

B Tarifário 113

C Certificados de Calibração do Luxímetro e do Analisador de Redes 115

D Equipamentos - Sistema Fotovoltaico 129

Lista de Figuras

1.1 Histórico Mensal da Evolução da Temperatura Terrestre, segundo dados da NASA

GISS e NOAA NCEI [1] . . . 2

1.2 Consumo e energia primária em Portugal (ktep) [2] . . . 2

1.3 Taxa de dependência energética em Portugal [2] . . . 3

1.4 Consumo total de energia por setor de atividade [2] . . . 4

1.5 Logótipo da empresa . . . 6

2.1 Energia Reativa: Esquema exemplificativo [3] . . . 11

2.2 Fator de Potência em função de ϕ . . . 12

2.3 Compensação Global (à esquerda), Parcial (ao centro) e Local (à direita) [3] . . . 13

3.1 Distinção diferentes tipos de cor . . . 18

3.2 índice de Restituição de Cor típico para diferentes tipos de lâmpadas . . . 19

3.3 Distinção entre Luminância e Iluminância . . . 19

3.4 Lâmpada de Halogéneo [4] . . . 21

3.5 Lâmpada de Luz Mista . . . 22

3.6 Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão [5] . . . 23

3.7 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Alta Pressão [6] . . . 23

3.8 Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Iodetos Metálicos [6] . . . 24

3.9 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão [6] . . . 25

3.10 Lâmpada Fluorescente [6] . . . 26

3.11 Esquema do Posiocionamento do Balastro [7] . . . 29

4.1 Caldeira (à esquerda) e Chiller (à direita) da Escola Secundária Filipa de Vilhena 32 4.2 UTA-Escola Secundária Filipa de Vilhena . . . 33

4.3 Sistema ”multi-split” . . . 33

4.4 VAV (à esquerda), Ventiloconvector (ao centro) e UTA (à direita) . . . 35

5.1 Exemplo esquemático de Sistema PV ligado à rede (à esquerda), autónomo (ao centro) e híbrido (à direita) . . . 38

5.2 Stringde Painéis Fotovoltaicos . . . 39

6.1 Modelo de etiqueta energética de uma lâmpada (à esquerda) e de uma luminária (à direita) [ [8] . . . 43

7.1 Exemplo de uma Cava de Tensão [9] . . . 46

8.1 Energia Ativa Consumida pela Escola . . . 54

8.2 Sala de Aula desenhada no DIALux (à esquerda) vs. Sala de Aula Real (à direita) 57 8.3 Controlo da Iluminação no Bloco/Corpo B, piso -1 . . . 58

8.4 Controlo da Iluminação no Bloco/Corpo C, piso 1 . . . 58

8.5 Escala de cores usada nas figuras deste sub-capítulo, via DIALux . . . 59

8.6 Distribuição dos Valores de Iluminância na Cantina para o caso A Atual . . . 59

8.7 Distribuição dos Valores de Iluminância na Cantina para o caso B Atual - Legenda 8.11 . . . 60

8.8 Escala de cores, via DIALux . . . 60

8.9 Arquivo Geral desenhado em 3D no DIALux - Legenda 8.11 . . . 61

8.10 Distribuição da Iluminância no Laboratório de Química . . . 63

8.11 Escala de cores, via DIALux . . . 63

8.12 Distribuição da Iluminância média atual numa Sala de Aula (visualização em 3D) 63 8.13 Indicação Lâmpadas a Desligar - A222 . . . 67

8.14 Conexão do Equipamento a um sistema trifásico com neutro [10] . . . 69

8.15 TDH QGBT (à esquerda), Corte Geral (ao centro) e Quadro Parcial (à direita) . . 70

8.16 Harmónicos de Tensão de ordem 3 (à esquerda), 5 (ao centro) e 7 (à direita) -QGBT (em cima), Corte Geral (no meio) e QBP 1.1 (em baixo) - (3 Fases) . . . . 71

8.17 Harmónicos de Corrente de ordem 3 (à esquerda), 5 (ao centro) e 7 (à direita) -QGBT (em cima), Corte Geral (no meio) e QBP 1.1 (em baixo) (3 Fases) . . . . 73

8.18 TDHi no QGBT (à esquerda), no Corte Geral (ao centro) e no QBP 1.1 (à direita) 73 8.19 Filtro Ativo Paralelo: Esquema de funcionamento . . . 74

8.20 Filtro Ativo Paralelo: Princípio de funcionamento [11] [12] . . . 74

8.21 Tensão QGBT (à esquerda), Corte Geral (ao centro) e QBP 1.1 (à direita) . . . . 75

8.22 Frequência do QGBT (a cinzento), do Corte Geral (a azul) e do QBP 1.1 (a vermelho) 75 8.23 Fator de Potência . . . 76

8.24 Corrente (3 fases) no QGBT (à esquerda), Corte Geral (ao centro) e QBP 1.1 (à direita) . . . 77

8.25 Espaço disponível para instalação dos Painéis (a amarelo), via Google Maps . . . 78

8.26 Irradiação no local da instalação para o ângulo/azimute ótimos (à esquerda) e para um ângulo de 26o(à direita) (Gráficos obtidos pelo PVGIS) . . . 78

8.27 Configuração das strings no telhado . . . 82

8.28 Fusível-Hager . . . 84

8.29 Corta-circuitos porta fusíveis-Hager . . . 84

8.30 Interruptor-Hager . . . 85

8.31 Quadro 52-C4 do RTIEBT . . . 86

8.32 Esquema Geral de ligação, via Sunny Design . . . 87

8.33 Dimensionamento Cabos CC, via Sunny Design . . . 87

8.34 Dimensionamento Cabos LV1 (Cabos AC do inversor para o QE), via Sunny Design 87 8.35 Dimensionamento Cabos LV2 (Cabo AC do QE para o QGBT), via Sunny Design 87 8.36 Interruptor AC tetrapolar 125A - Hager . . . 88

8.37 Disjuntor 50 A - Hager . . . 89

8.38 Irradiação no local da instalação para o ângulo/azimute ótimos (Gráfico obtido pelo PVGIS) . . . 90

8.39 Dimensionamento para inversor de 15kW (à esquerda) e de 20kW (direita) via Sunny Design . . . 92

8.40 Configuração das strings na cobertura . . . 92

8.41 Via Quadro 52-C30 do RTIEBT . . . 94

8.42 Rendimento Energético por mês . . . 97

8.43 Poupanca Efetiva obtida com o Sistema Fotovoltaico . . . 97

LISTA DE FIGURAS xv

8.45 Esquema da Caldeira presente na Escola . . . 100

8.46 Esquema da UTA Administração . . . 101

8.47 Esquema da UTA Aulas A3 . . . 101

A.1 Estudo Redução de Potência . . . 111

B.1 Tarifário ENDESA . . . 113

D.1 Preço Cabos- Via Catálogo Cabelte . . . 148

D.2 Características Fusível LF315PV- Hager . . . 149

D.3 Componentes PV: Características Corta-Circuitos p.Fusíveis L501PV - Hager . . 149

D.4 Componentes PV: Características Vector estanque 36M VE312SN- Hager . . . . 150

D.5 Componentes PV: Características Vector estanque 8/10M VE110SN- Hager . . . 150

D.6 Componentes PV: Características Interruptor SB432PV- Hager . . . 151

D.7 Componentes PV: Características Interruptor Diferencial CDC463A- Hager . . . 151

D.8 Componentes PV: Características Interruptor HA451- Hager . . . 152

D.9 Componentes PV: Características Disjuntor HMX450 - Hager . . . 152

D.10 Componentes PV: Características Caixa.QE FL73SP- Hager . . . 153

D.11 Componentes PV: Montantes UN03A - Hager . . . 153

Lista de Tabelas

3.1 IRC em Função de Ra . . . 18

3.2 Iluminância Média Recomendada . . . 20

8.1 Corpo A, Piso -1 . . . 50

8.2 Corpo A, Piso 0 . . . 51

8.3 Corpo A, Piso 1 . . . 52

8.4 Corpo A, Piso 2 . . . 53

8.5 Comparação Tarifários Eletricidade . . . 54

8.6 Iluminação: Corpo B, Piso -1 . . . 56

8.7 Poupança total obtida através de redução de potência nos espaços com retorno económico viável . . . 67

8.8 Simulações de Implementação de LED’s . . . 68

8.9 Viabilidade Económica Implementação de LEDs nas zonas de circulação . . . . 68

8.10 Limite Distorção de Tensão . . . 71

8.11 Limite Distorção de Corrente . . . 72

8.12 Características Elétricas do Painel . . . 79

8.13 Orçamento Projeto Fotovoltaico . . . 96

8.14 Retorno Investimento - UPP . . . 98

9.1 Resumo do Projeto Fotovoltaico como UPAC e UPP . . . 104

A.1 Corpo B, Piso -1 . . . 108

A.2 Corpo B, Piso 0 . . . 109

A.3 Corpo B, Bloco 1 . . . 109

A.4 Corpo C, Piso -1 . . . 110

A.5 Corpo C, Piso 0 . . . 110

Abreviaturas e Símbolos

o _Grau

A Ampere

AD Armário de Distribuição

AC Corrente Alternada

APA Agência Portuguesa do Ambiente

AQS Águas Quentes Sanitárias

AT Alta Tensão

AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado

BT Baixa Tensão

cd Candela

CO2 Dióxido de Carbono

COP Coeficiente de Performance

DGEG Direção Geral de Energia e Geologia

DL Decreto-lei

EER Índice de Eficiência de Energia

EN Norma Europeia

E.U.A. Estados Unidos da América

FP Fator de Potência

GEE Gases com Efeito de Estufa

GISS Instituto Goddard de Estudos Espaciais

GWh Gigawatt-hora

IEE Índice de Eficiência Energética

INDC Pretendida Contribuição Nacionalmente Determinada

IRC Índice de Restituição de Cores

K Grau Kelvin

lm Lúmen

m Metro

MAT Muito Alta Tensão

min minuto

MT Média Tensão

NASA Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço

NOAA Administração Nacional de Oceanos e Atmosfera dos E.U.A.

NCEI Centro Nacional de Informação Ambiental dos E.U.A.

OECD Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico

PEX Polietileno Reticulado

PT Posto de Transformação

Pt Potência Ativa Total

PVC Policloreto de Vinilo

QE Quadro Elétrico

QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão

Qt Potência Reativa Total

s segundo

Sa Potência Aparente

THD Taxa de Distorção Harmónica

TIC Tecnologias da Informação e Comunicação

W Watt

U.E. União Europeia

Un Tensão Nominal

UPSs Sistemas de Alimentação Ininterrupta

UTA Unidade de Tratamento de Ar

UVC Unidade Ventiloconvectora

Capítulo 1

Introdução

Eficiência Energética traduz-se na redução de perdas na conversão, transporte, transmissão e uso de energia, desde a extração da fonte primária até ao seu uso final, assim como na redução da demanda energética, sem comprometer a qualidade do serviço. Consequentemente, é possível

investir e melhora-la a vários níveis, que englobam a produção da energia e o seu uso. [13]

Na primeira década do século XX é assinado, por todos os estados-membro da União Europeia,

o Pacote Europeu Energia/Clima 20-20-20, que define três metas a serem atingidas até 2020 [14]:

• Redução de 20% de emissão de gases com efeito de estufa, em comparação com 1990; • Aumento em 20% de energias renováveis no mix energético;

• Menos 20% de consumo energético, em resultado do aumento da eficiência, fazendo uso de, pelo menos, 10% de biocombustíveis nos transportes.

Na segunda década do século, mais precisamente em Dezembro de 2015, 195 países apro-vam o "Acordo de Paris", que constitui o primeiro marco jurídico universal contra o aquecimento

global. O documento da 21a Conferência do Clima (COP21) das Nações Unidas, reflete o maior

entendimento na área, desde o Protocolo de Quioto (assinado em 1997), e é de caráter vincula-tivo até 2020, definindo, pela primeira vez, um acordo válido para todas as nações, que terão de

organizar estratégias para limitar o aumento médio da temperatura da Terra até 2oC (idealmente

1,5oC) até 2100. [15]

Na Figura1.1, é possível verificar a variação mensal destes valores para os anos de 2000, 2014,

2015 e primeiro semestre de 2016.

Dos 162 compromissos que refletem as contribuições nacionalmente determinadas (INDC), 106 indicam intenções nacionais em aumentar o desenvolvimento de energia renovável, dos quais 74 apontam objetivos específicos para a produção renovável, AVAC e tecnologias no setor dos transportes. Alguns incluem, ainda, mecanismos específicos para que sejam feitos avanços na

área das renováveis e da eficiência energética. [13]

Na Figura 1.3, que representa o consumo de energia primária em Portugal (em ktep) de 2005 a

2014, é possível constatar a diminuição do consumo de combustíveis de origem fóssil e o aumento 1

Figura 1.1: Histórico Mensal da Evolução da Temperatura Terrestre, segundo dados da NASA

GISS e NOAA NCEI [1]

da utilização de energias renováveis (hídrica, eólica, solar, geotérmica e biomassa) na produção de energia, contribuindo para o decréscimo da taxa de dependência energética, que pode ser

visu-alizada na figura1.3.

Figura 1.2: Consumo e energia primária em Portugal (ktep) [2]

Nesse mesmo período de tempo, verifica-se, em Portugal, uma descida acentuada das emissões de gases com efeito de estufa em relação a 1990. Segundo a Agência Portuguesa do Ambiente (APA), as emissões passam de 45% para 8%, números que refletem o cumprimento de uma das metas propostas.

O setor da energia é o principal responsável pelas emissões de GEE, representando quase 70% das emissões nacionais. Dentro deste setor, a produção de energia é uma das fontes mais importantes, constituindo cerca de 23% do total das emissões.

Em Portugal, é possível encontrar com facilidade recursos naturais como o sol, vento, mar, florestas e a biomassa, uma grande vantagem para a produção de energia no setor da eletricidade,

Introdução 3

Figura 1.3: Taxa de dependência energética em Portugal [2]

nomeadamente, através de painéis fotovoltaicos e centrais eólicas, o que contribui ainda para o aumento do mix energético.

De 2004 a 2014, regista-se um aumento da produção de energia a partir destas fontes de 19,2% para 27,0% . Ainda neste período, a dependência energética do país decresce de 84,1% para 72,4%

[2].

Em 2015, a energia renovável e a eficiência energética foram apontadas como pilares im-portantes no compromisso mundial para acabar com a pobreza, proteger o ambiente e assegurar prosperidade para todos. Nesse ano, vários países por todo o Mundo, incluindo Portugal, definiram

metas económicas para a implementação de energias renováveis [13], sendo que neste período a

produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis decresceu 20% e, devido ao aumento de consumo no setor eletroprodutor, as importações, sobretudo de carvão e gás natural, aumentaram.

Tais fatores, foram cruciais para o aumento da dependência energética nesse ano (78,3%). [16]

A nível mundial, no primeiro trimestre de 2016, o investimento em energias renováveis decres-ceu 12,5% comparativamente ao mesmo período de 2015. Na Europa, o mesmo não se sucedeu, contrariando a tendência dos últimos tempos. Os grandes investimentos feitos no início de 2016, deveram-se, principalmente, aos projetos em produção de energia eólica.

O mercado da tecnologia fotovoltaica cresceu 25% ao longo de 2014, alcançando 50GW. Estima-se que 22 países tenham tido capacidade suficiente, no fim de 2015, para fazer face a mais de 1% das suas necessidades elétricas, tendo alguns deles alcançado valores superiores a 6%. Os investimentos feitos na área da energia solar, também cresceram significativamente entre 2005

e 2011 e, apesar de sofrerem um decaimento até 2014, acabam por aumentar e registar o valor mais alto no ano seguinte.

Em 2015, a energia usada para aquecimento constituiu praticamente metade do consumo ener-gético mundial total. Consumo esse, que tem vindo a aumentar, à semelhança do consumo de energia para arrefecimento, que se relaciona com o aumento da temperatura média global. Nesse ano, na U.E., 18% do consumo energético para um destes dois fins, foi proveniente de fontes re-nováveis. O maior crescimento no uso de energia deste tipo para aquecimento deu-se na Europa, onde, desde 2008, a média anual aumenta quase 5%. Contudo, em 2015, devido à crise económica, ao abrandamento no setor da construção e à descida nos preços do petróleo, esse crescimento desa-celerou. No entanto, em algumas áreas, e em alguns países, essa desaceleração foi menos sentida. No caso da França, Finlândia e Polónia, o mercado de bombas de calor, continua em crescimento. Inúmeras políticas foram implementadas em vários governos por todo o mundo, com o ob-jetivo de melhorar a eficiência energética nos setores de edifícios, transporte e indústria. Essas políticas, que incluem metas, regulamentos, normas e incentivos fiscais, visam a tomada de ações de eficiência de energia. Tal pode ser conseguido, por exemplo, através da divulgação de conheci-mento associado ao tema, ou de subsídios de energia.

Atualmente, quase todos os países têm políticas que incentivam o desenvolvimento das ener-gias renováveis. Essas políticas, continuam em desenvolvimento e incentivam o investimento e inovação na área energética.

Na Figura1.4, que representa o consumo total de energia por setor de atividade, é possível

ve-rificar que uma parcela importante deste consumo, diz respeito aos serviços onde estão englobadas as escolas, objeto de estudo desta dissertação.

Figura 1.4: Consumo total de energia por setor de atividade [2]

A demanda de energia total num edifício, depende de fatores que incluem os equipamentos de AVAC e a iluminação usada. Há várias opções disponíveis para a reduzir e para tornar o edifício

1.1 Motivação e Objetivos da Dissertação 5

mais eficiente energeticamente, algo que está a ser feito atualmente. Estima-se que melhorar a eficiência energética em edifícios na União Europeia (35% dos quais têm mais que 50 anos), poderia reduzir o consumo de energia nesta região em 5-6%. Em países da OECD, a eficiência da energia usada nas residências aumentou 15% entre 2002 e 2012. Os novos edifícios construídos em 2015 na U.E. consumiram cerca de metade da energia, comparativamente ao que os edifícios

construídos nos anos 80 consumiram. [13]

A eficiência energética, além de trazer benefícios financeiros, promove a diversificação do mix energético e o aumento da sustentabilidade associada à produção, transporte e consumo de energia e, como tal, deve ser explorada e posta em prática, para que as metas propostas no Pacote Euro-peu Energia/Clima 20-20-20 sejam atingidas, garantindo, assim, o progresso social, o equilíbrio

ambiental e o sucesso económico. [17]

1.1

Motivação e Objetivos da Dissertação

Esta dissertação consiste na análise da eficiência energética da Escola Secundária Filipa de Vilhena. Assim sendo, serão estudadas as condições do ativo, com a finalidade de perceber quais poderão ser melhoradas, para que a energia seja utilizada, potencializando ao máximo a sua efici-ência e respeitando todas as normas que se aplicarem, de modo a garantir o conforto e bem-estar de todos os utilizadores. Parametrizando a finalidade principal deste estudo, previamente descrita, surgem como objetivos:

• Caracterização da Escola e dos espaços que a constituem (i);

• Avaliação do tarifário de eletricidade utilizado e verificação do melhor fornecedor de energia para o respetivo ciclo horário (ii);

• Análise dos sistemas de iluminação instalados (iii); • Análise da qualidade de energia (iv);

• Realização do projeto fotovoltaico, de forma a minimizar a dependência energética da rede (v);

• Análise dos sistemas de AVAC (Aquecimento, Ventilação, Arrefecimento e Ar Condicio-nado), com o objetivo de verificar se os mesmos são eficientes e/ou podem sofrer alterações, de modo a maximizar a eficiência energética global do edifício escolar (vi);

• Análise económica, determinação do período de retorno do investimento e elaboração do conjunto de propostas de intervenção que se considerem importantes aplicar (vii).

1.2

Estrutura da Dissertação

Para além da introdução, que tem a finalidade de contextualizar o trabalho que se desenrolará, esta dissertação contém mais 8 capítulos.

Do capítulos 2 a 7, é descrito o estado da arte. São apresentados trabalhos relacionados com diversos temas, benéficos à elaboração do estudo que se seguirá. Nesses temas, englobam-se as faturas energéticas e conceitos importantes para a sua análise, como energia reativa e fator de potência, e o setor elétrico português. Aborda-se, também, a área da iluminação, avaliando diferentes parâmetros que com esta se relacionam e caracterizam-se diversas tecnologias e equi-pamentos. Descrevem-se os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, de modo a facilitar a análise aos aparelhos da Escola em estudo. É feita uma caracterização dos sistemas solares fotovoltaicos, importante para a elaboração do projeto desenvolvido. Apresentam-se pro-blemas relacionados com a qualidade da energia como desequilíbrios, cavas e variações rápidas e cíclicas de tensão, oscilações e variações de frequência, sobretensões e distorções de onda de tensão decorrente da presença de harmónicos.

No capítulo8, encontra-se o caso de estudo, no qual são abordadas as várias áreas contidas nos

vários objetivos propostos, caracterizando o Edifício Escolar. Retrata-se a análise feita às faturas de energia, e respetivas conclusões. Aborda-se a iluminação presente, analisada com o propósito de propor medidas mais eficientes do que as que vigoram. Apresenta-se o projeto fotovoltaico elaborado e, por fim, apresentam-se os equipamentos AVAC e respetiva análise.

No capítulo9, é elaborada a conclusão do trabalho realizado, assim como apresentadas as

propostas de trabalho futuro que se consideram colmatar o estudo realizado.

1.3

MANVIA-Manutenção e Exploração de Instalações e

Constru-ção

Figura 1.5: Logótipo da empresa

Esta dissertação de mestrado, elaborada em ambiente empresarial, teve colaboração da MAN-VIA.

Esta empresa, iniciou as suas atividades em 1998, integrando-se no Grupo Mota-Engil, dois anos depois. Em 2005, torna-se uma sociedade anónima que atua em várias áreas da manutenção, onde se enquadram os edifícios, indústria, ambiente e energia.

A MANVIA, nos seus serviços de manutenção, engloba atividades como: • Facility Management;

• Gestão e execução de manutenção de instalações e equipamentos; • Gestão de contratos externos;

1.3 MANVIA-Manutenção e Exploração de Instalações e Construção 7

• Gestão Técnica da manutenção;

• Manutenção de equipamentos eletromecânicos;

• Gestão, operação e manutenção de centrais de cogeração, incluindo respetivos estudos de viabilidade;

• Manutenção de gás, águas e esgotos; • Instalações de segurança;

• Certificação energética; • Diagnósticos elétricos.

É uma empresa certificada e inovadora, da qual fazem parte mais de 600 especialistas com conhecimentos de negócio na área da manutenção, estando presente nos mercados nacional e internacional.

Do seu portfólio, fazem parte, entre outros, o Metro do Porto, a Casa da Música, várias auto-estradas e centros comerciais e a Parque Escolar, a qual permitiu recolher alguns dados importantes para o estudo da eficiência energética da Escola Secundária Filipa de Vilhena.

O objetivo da empresa é ser uma referência nos mercados em que se insere, visando acrescentar valor económico, social e ambiental às atividades dos seus clientes.

Capítulo 2

Eficiência Energética e o Setor Elétrico

Português

Para otimizar a gestão da energia, é necessário conhecer todos os aspetos que com ela estão relacionados. Para tal, não basta analisar, por exemplo, as faturas da energia para saber quanto se consome. É preciso perceber o porquê desses consumos, onde se consome e como se consome.

Uma auditoria energética, requer que se analisem, em detalhe, as condições de utilização de energia presentes na instalação a auditar, se avalie o estado em que se encontram os equipamentos e respetiva manutenção, se elabore um conjunto de medidas técnica e economicamente viáveis que permitam a redução do consumo ou da fatura mensal e se faça a certificação energética.

Assim, é da responsabilidade do auditor, identificar as áreas onde existem desperdícios e indi-car soluções viáveis, considerando as restrições organizacionais e financeiras existentes.

2.1

Fases de uma Auditoria Energética

Inicialmente, é necessário preparar a auditoria de modo a aumentar a qualidade final da mesma. Tendo isto em conta, deve-se conhecer o espaço (e se possível visitá-lo previamente), recolher dados dos últimos anos (como faturas de eletricidade, por exemplo) e ponderar acerca das medidas que, se aplicadas, melhorariam a eficiência do local.

Numa segunda fase, procede-se à intervenção no local, onde devem ser caracterizados os equi-pamentos produtores/consumidores de energia; determinar os consumos dos vários setores, os di-agramas globais de carga da instalação consumidora e os consumos específicos; elaborar balanços energéticos e propor medidas técnicas viáveis de redução de consumos.

Posteriormente, é necessário tratar a informação recolhida de modo a gerar conclusões acerca dos consumos, rendimentos energéticos, intensidades energéticas, soluções tecnológicas, técnico-económicas e organizacionais.

Por fim, procede-se à elaboração do relatório de auditoria energética, onde é contemplada toda

a informação pertinente de forma organizada e coerente. [18]

2.2

Redução da Fatura Energética

Existem várias formas de reduzir a fatura energética: comprando energia mais barata e

consu-mindo menos energia. [19]

No primeiro caso, é possível trocar de fornecedor ou renegociar com o atual, de modo a obter uma melhor proposta; adequar o tarifário; substituir o tipo de energia consumida; reduzir picos de consumo ( principalmente nas horas de ponta onde o preço é mais elevado); eliminar penalizações do fornecedor, como por exemplo, pela energia reativa; fazer transferência de cargas de perío-dos mais altos para períoperío-dos mais baixos; gerir a energia no local, usando energias renováveis (recorrendo, por exemplo, à instalação de painéis fotovoltaicos).

No segundo caso, é possível aumentar a eficiência dos equipamentos, melhorando os pro-cedimentos operacionais, efetuando uma manutenção adequada ou instalando equipamentos de eficiência superior e sensibilizar os utilizadores para o uso racional da energia.

2.2.1 Análise da Fatura Energética

Uma das responsabilidades do gestor de energia, que cada edifício deve ter, é a análise das faturas de energia e a avaliação dos desvios de consumo e variações de preço entre os mesmos in-tervalos de tempo, ação que leva à verificação do contrato que melhor satisfaz os perfis de consumo apresentados.

Num estabelecimento escolar, é possível encontrar, geralmente, vários tipos de faturas: a fatura de energia elétrica, a fatura de gás e a fatura da água.

A fatura de energia elétrica fornece informação importante sobre o perfil de consumo mensal de uma instalação, potência da instalação, perfil de consumo, entre outras. Através desta análise,

é possível gerar medidas de eficiência energética como [20]:

• Mudar o tipo de ciclo da instalação para o mais apropriado;

• Promover ações de deslastre do consumo no período de ponta para outro período com custos mais reduzidos;

• Detetar, caso existam, desvios nos padrões de consumo;

• Avaliar o consumo de energia reativa, mantendo-o acima do valor regulamentado.

2.2.2 Energia Reativa

Todos os equipamentos elétricos alimentados em corrente alternada consomem energia ativa. No entanto, existem certos equipamentos, como ventiladores, transformadores e sistemas de ilu-minação, que geram energia reativa, a qual é cobrada pelo fornecedor de energia elétrica, apesar de não produzir trabalho. Convém, como tal, anular estes consumos dos equipamentos escolares, corrigindo o fator de potência.

2.2 Redução da Fatura Energética 11

P= V × I × cos(ϕ)(W ) (2.1)

A potência aparente é dada por:

S= V × I × (VA) (2.2)

A potência reativa é dada por:

Q= S × sen(ϕ)(VAr) (2.3)

Figura 2.1: Energia Reativa: Esquema exemplificativo [3]

Em 26 de Abril de 2010, foi publicado, no Diário da República, o Despacho no 7253/2010,

onde são definidas novas regras no que diz respeito à forma de faturação da energia reativa. [21]

Para o seu cálculo, utiliza-se o fator tg(ϕ), que se define como a razão entre a energia reativa e a energia ativa, medidas no mesmo período. Quanto maior for a tg(ϕ), menor será o fator de

potência e maior será a energia reativa a transitar nas redes. [22]

Assim, valores altos de fator de potência (perto de 1,00) indicam que está sendo utilizada pouca energia reativa em relação à energia ativa, por sua vez, valores baixos de fator potência indicam que há excesso de energia reativa.

Os principais problemas que advém da sua existência são [12]: • Custos mais elevados da fatura elétrica;

• Aumento das perdas e das correntes na linha de transmissão; • Maiores quedas de tensão na linha de alimentação;

• Sobreaquecimento dos cabos.

O fator de potência (entre 0 e 1) é a razão entre a Potência Ativa e a Potência Aparente.

O cosseno do ângulo que mede o desfasamento entre as ondas de tensão e corrente, cos(ϕ)(figura

2.2), é dado pela razão entre a Potência Ativa da fundamental e a a Potência Aparente da

Funda-mental. O fator de potência pode ser relacionado com o cos(ϕ) à frequência fundamental, sendo que ambos diferem, quando na presença de harmónicos.

O fator de potência, indica o grau de eficiência do uso dos sistemas elétricos. Valores altos de FP, indicam uso eficiente da energia elétrica, enquanto valores baixos indicam ineficiência da mesma, além de representar uma sobrecarga para todo sistema elétrico.

Figura 2.2: Fator de Potência em função de ϕ

Valores de tan(ϕ) inferiores a 0,3 (ou, por dedução, se cos(ϕ)>0,96) indicam que a instalação pagará energia reativa.

Para o corrigir, usam-se equipamentos na instalação, geralmente baterias de condensadores,

devido ao fator económico. As vantagens do uso de condensadores são [23] [20]:

• Custo inferior em relação aos compensadores síncronos e aos conversores eletrónicos de potência;

• Simplicidade de instalação e manutenção; • Perdas reduzidas.

2.2 Redução da Fatura Energética 13

Na compensação global, ou central, a bateria de condensadores é ligada à entrada da instalação (QGBT). Aplica-se em casos onde a carga é estável e contínua, como em instalações com muitos recetores de baixa e média potência cujos equipamentos não trabalham todos ao mesmo tempo. Este tipo de compensação, permite uma boa adaptação aos escalões de potência reativa necessária, quando usada uma compensação automática, permitindo manter o fator de potência acima do limite mínimo. Contudo, a potência reativa, nos cabos de alimentação dos quadros parciais, não é suprimida, pelo que as perdas e quedas de tensão se mantém.

Figura 2.3: Compensação Global (à esquerda), Parcial (ao centro) e Local (à direita) [3]

Na compensação parcial, ou setorial, são usadas várias baterias de condensadores ligadas aos barramentos dos quadros parciais da instalação. Aplica-se a instalações com diferentes regimes de carga, nos vários setores. Neste tipo de compensação já existe uma redução da potência reativa nos cabos de alimentação dos vários quadros, o que contribui para a redução das correntes, das perdas e das quedas de tensão.

Na compensação local, ou individual, as baterias ligam-se diretamente às entradas dos rece-tores indutivos (morece-tores, etc.) Aplica-se quando existe um recetor com potência considerável comparativamente à potência total instalada. Este tipo de compensação permite reduzir a potência reativa e reduzir as correntes, as perdas e as quedas de tensão nos vários cabos que alimentam a

instalação. [3]

2.2.3 Setor Elétrico Português

Em Portugal, a produção de energia elétrica permite concorrência, segundo planeamento de acordo com a lógica do mercado. Nesta concorrência, estão incluídos também produtores espa-nhóis.

Desde 2006, todos os clientes (quase 6,1 milhões em Portugal Continental), têm liberdade para escolher o seu fornecedor de energia. A esmagadora maioria desses são consumidores em Baixa Tensão, 23500 consomem em Média Tensão e cerca de 350 consomem em Alta e Muito Alta Tensão.

O mercado está dividido em dois regimes: • Produção em regime ordinário - PRO (i); • Produção em regime especial -PRE (ii);

A PRO (i), diz respeito à produção de eletricidade com base em fontes não renováveis, en-quanto que a PRE, recorre a energias renováveis e a cogeração.

Relativamente ao mix de produção, tem-se assistido ao aumento do peso da produção em regime especial, salientando-se o papel da energia produzida a partir de fontes renováveis.

A energia produzida de forma distribuída é injetada diretamente na rede, enquanto a restante é entregue à rede de transporte.

A distribuição desta energia é garantida pela rede nacional de transporte (RNT), que tem liga-ção com a rede espanhola possibilitando trocas comerciais entre ambas, através de linhas MAT. A interligação entre a RNT e as instalações dos consumidores, é feita pela EDP Distribuição e algu-mas cooperativas. Em regime de mercado, as principais empresas de comercialização em Portugal são a EDP Comercial, a Endesa, a Iberdrola e a União Fenosa.

Relativamente às opções tarifárias, existem várias estruturas, sendo que as tarifas para cada

atividade regulada, cuja fixação compete à ERSE, são [24]:

• Uso Global do Sistema (UGS): Relativa a custos com a operação do sistema e custos provo-cados por medidas de política energética, ambiental ou de interesse económico geral (apli-cada pelo operador da rede de transporte e paga pelos operadores das redes de distribuição); • Uso da Rede de Transporte (URT): Diz respeito aos custos com a operação e manutenção

das redes de transporte;

• Uso da Rede de Distribuição (URD): Onde se englobam os custos associados ao planea-mento, operação e manutenção das redes de distribuição, pagos pelos clientes (alta, média e baixa tensão);

• Acesso às Redes: Custos de uso das redes e serviços associados (aplicada pelos operadores das redes de distribuição e paga pelos clientes em MAT, AT, MT e BT);

• Venda do Operador da Rede de Transporte: Diz respeito à prestação dos serviços de sistema e transporte (Aplicada pelo operador da rede de transporte aos operadores das redes de distribuição);

• Comercialização: Relativa a custos com as estruturas comerciais de venda de energia elé-trica aos clientes dos comercializadores de último recurso;

• Energia: Engloba custos com a obtenção de eletricidade para fornecimento dos clientes (aplicada pelo comercializador de último recurso e paga pelos seus clientes);

• Tarifas transitórias de Venda a Clientes Finais em Portugal continental: aplicada pelos co-mercializadores de último recurso aos seus clientes em Portugal continental.

Existe, ainda, a tarifa social de fornecimento de eletricidade que se aplica aos clientes finais com direito à aplicação de um desconto na tarifa de acesso às redes em regime de baixa tensão

2.2 Redução da Fatura Energética 15

normal, que pretende reduzir barreiras ao acesso à energia elétrica a consumidores vulneráveis, com consumos reduzidos.

As tarifas de acesso às redes, compostas pelas tarifas UGS, URT e URD (as quais são exercidas em regime de monopólio), são pagas por todos os consumidores finais. Estas tarifas, são calculadas através do somatório de cada variável de faturação e atividade com a tarifa correspondente.

Para um cliente final, existe a possibilidade de optar entre o mercado regulado e o mercado livre. No primeiro, o custo de energia engloba as tarifas de acesso à rede, as tarifas de energia e de comercialização, enquanto que no segundo, o custo energético é negociado com o comercializador. A Tarifa de Uso Global do Sistema é composta por duas parcelas. A parcela I engloba os custos associados à gestão do sistema, apresentando um preço de energia sem diferenciação por período horário. A parcela II, a aplicar ao operador da rede de distribuição em MT e AT, associa-se aos custos resultantes de implementação de medidas de política energética, ambiental e de interesse económico geral e tem preço único de energia, sem distinção entre os períodos horários.

A Tarifa de Uso da Rede de Transporte, aplica-se aos produtores em MAT, AT e MT e é composta por preços de energia ativa (Eur/kWh). A tarifa URT aplicada ao operador da rede de distribuição em MT e AT apresenta preços de potência contratada e em horas de ponta, preços de energia ativa, diferenciados por período horário, e preços de energia reativa indutiva e capacitiva.

As tarifas de Uso da Rede de distribuição estão englobadas nos preços de potência contratada e em horas de ponta, nos preços de energia ativa diferenciados por período horário e de energia

reativa. [24]

A Tarifa de Energia é composta por diferentes preços de energia ativa para quatro períodos horários: Ponta (P), Cheia (C), Vazio Normal (VZ) e Super Vazio (SV).

Os contratos de aquisição de energia são acordos (aprovados pela ERSE) para distribuição energética dos comercializadores aos consumidores.

Para uma instalação alimentada em média tensão existe a possibilidade de optar entre três ciclos horários distintos, Ciclo Diário, Ciclo Semanal e Ciclo Semanal Opcional, os quais ajustam os períodos horários em determinadas horas.

O ciclo diário caracteriza-se por uma distribuição igual pelos 7 dias da semana, o que é vanta-joso para instalações utilizadas apenas nos 5 dias úteis.

Se existir funcionamento durante o fim-de-semana, o melhor ciclo será o semanal, visto que irão ser alcançados benefícios, aos sábados e domingos, ao nível dos tarifários. Os feriados naci-onais são considerados como períodos de vazio.

Neste caso, a energia reativa consumida ou fornecida à rede, também é faturada, bem como a potência contratada e a potência em horas de ponta.

2.2.4 Eficiência Energética

Para aplicar melhorias de eficiência energética, pode ser necessário investir em: novos bens (como veículos, edifícios ou equipamentos); em novas aplicações de eletricidade ou em novos processos industriais; em isolamentos; em instrumentos de controlo e medida; e em cogeração.

São medidas que envolvem um investimento considerável e que, como tal, só devem ser aplicadas quando o retorno do mesmo é compensatório.

Além destas medidas, há que alterar comportamentos. Se houver, por exemplo, uma redução do consumo de água quente e do nível da temperatura interior (através do uso de aparelhos de aquecimento) ou o aumento da mesma (através de aparelhos de arrefecimento), o valor da fatura elétrica vai diminuir consideravelmente.

Capítulo 3

Iluminação

Neste sub-capítulo, abordam-se conceitos relacionados com iluminação, alternativas disponí-veis e respetivas características e formas de aumentar a eficiência energética nesta área.

A luz natural, idealmente, deve ser a usada em espaços interiores com utilização humana, para o conforto dos mesmos. É, também, a mais eficiente energeticamente, contudo existe a necessi-dade de ser complementada por sistemas de luz artificial. Estes, devem ser projetados, tendo em conta as necessidades de iluminação de forma eficaz e flexível, respeitando as normas que lhes dizem respeito, garantindo que são cumpridas as exigências de conforto, eficiência energética e

sustentabilidade. Para tal é necessário: [25] [26]

• Respeitar os valores de iluminância média recomendados, para que o desempenho das dife-rentes tarefas, por parte dos utilizadores dos espaços, não baixe de performance;

• Garantir as condições de conforto visual para evitar problemas de encandeamento;

• Não prescindir do bom ambiente interior, como elevar em demasia a temperatura em prol de maior aproveitamento da iluminação ou menor consumo energético;

• Aproveitar ao máximo a utilização da luz natural, garantindo que a luz artificial é usada apenas quando as necessidades de iluminação não são satisfeitas pela primeira.

A instalação de iluminação pode ter fraca eficiência energética, devido a vários fatores como: • Lâmpadas de fraco rendimento;

• Armaduras de iluminação pouco eficientes; • Balastros pouco eficientes.

3.1

Características das Lâmpadas

Do ponto de vista luminotécnico podem ser consideradas as seguintes características das

lâm-padas [27] [28]:

• Rendimento luminoso: Indica a razão entre o fluxo luminoso emitido pela lâmpada e a potência elétrica absorvida. Exprime-se em [lm/W] (lúmen/Watt) e varia entre 8 lm/W e 200 lm/W;

• Temperatura de cor: Indica a cor aparente da luz emitida e é expressa em [K] (graus Kel-vin); A tonalidade de cor emitida pode ser branco quente, branco neutro ou branco frio que

depende da sua classificação (figura 3.1: quente, intermédia ou fria, respetivamente. Por

sua vez, a classificação depende da temperatura da cor: menor que 3300 [K], entre 3330 [K] e 5300 [k] ou maior que 5300 [k], respetivamente. Por exemplo, numa lâmpada do tipo ”Master TL-D Super 80 49W/830”, os dois últimos dígitos do número ”830” indicam que a temperatura de cor da lâmpada é de 3000K, ou seja, emite uma cor de tonalidade branco quente.

Figura 3.1: Distinção diferentes tipos de cor

• Restituição de cores: Indica a capacidade de uma fonte luminosa reproduzir, fielmente, as cores de um objeto ou de uma superfície iluminada. É expressa pelo “índice de restituição de cores” (IRC), que vem expresso entre 0 e 100, onde 100 significa que as cores se reproduzem perfeitamente, e quanto mais nos aproximamos de 0, maior dispersão sobre existirá todas as cores, piorando a sua reprodução. Por exemplo, numa lâmpada do tipo ”Master TL-D Super 80 49W/830”, o primeiro dígito do número ”830” indica que a Ra (valor médio de oito cores do IRC) da lâmpada é superior a 80, ou seja, que a sua restituição cromática é muito boa.

Tabela 3.1: IRC em Função de Ra

IRC RA

Pobre >0 <60

Bom >60 <80

Muiro Bom >80 <90

3.2 Iluminância e Iluminância Média 19

Figura 3.2: índice de Restituição de Cor típico para diferentes tipos de lâmpadas

• Luminância (ou brilho): Exprime o brilho da fonte luminosa em função das suas dimensões e é a razão entre a intensidade luminosa na direção dos olhos do observador e a área visível da fonte luminosa (vista do ponto de observação);

• Duração de vida média: Indica o número de horas, após as quais, 50% de um lote significa-tivo de lâmpadas acesas deixa de emitir fluxo luminoso;

3.2

Iluminância e Iluminância Média

Os conceitos de Iluminância e Iluminância Média não devem ser confundidos com Luminân-cia. A Iluminância, medida em [lux] (equivalente a lúmen por metro quadrado), representa a relação entre o fluxo luminoso incidente numa superfície e a área sobre a qual este incide.

Assim, visto que a quantidade de luz que chega a cada ponto localizado no mesmo espaço é diferente, o resultado será vários valores de iluminância.

Figura 3.3: Distinção entre Luminância e Iluminância

A iluminação pode ser crucial na eficiência energética dos edifícios, contudo não se podem descurar as condições luminosas exigidas para a realização das atividades que recorrem ao sentido visual.

Realizando várias medições, com recurso ao luxímetro, é possível determinar a iluminância média do espaço. Tal pode ser feito de várias formas. A mais simples é através da média entre os valores de iluminância medidos.

No Manual de Instalações Técnicas da Parque Escolar é possível consultar os diversos valores de Iluminância Média recomendados para cada local de um estabelecimento escolar. Valores esses que diferem de acordo com a atividade desempenhada nesse espaço.

É possível consultar na tabela 3.2alguns desses valores.

Tabela 3.2: Iluminância Média Recomendada

Designação do Espaço Nível Médio de Ilum. (Lux)

Sala de Aula Normal 300

Sala de Aula TIC 300

Laboratório (Fis./Quim.) 500 Reprografia 300 Biblioteca/Zona de Leitura 500 Auditório 500 Ginásio 300 Casas de Banho 200 Zonas de Circulação 100 Refeitório 200

3.3

Tipos de Lâmpadas

A lâmpada de Incandescência é a mais básica e antiga, sendo, cada vez menos usada, devido ao elevado consumo.

É constituída por um filamento, ampola, gás de enchimento, suporte de vidro e casquilho. O filamento é a parte constituinte da lâmpada responsável por emitir a luz visível. Deve aguen-tar temperaturas o mais altas possível, visto que quanto maior a temperatura do filamento, maior será a luz produzida e maior será o rendimento da lâmpada. A temperatura do material, originada pela passagem de corrente elétrica, depende da resistência. Quanto maior a resistência, maior será a temperatura atingida, pelo que se usam materiais com elevada resistividade (tungsténio).

A ampola é o invólucro que envolve a lâmpada, cuja função é o armazenamento do gás de enchimento e a distribuição do fluxo luminoso, podendo este ser transparente ou opalino, e com diversas formas.

O gás de enchimento é responsável por reduzir a vaporização do filamento, sendo colocado dentro da ampola, envolvendo o filamento. Os gases mais usados são o Azoto, Árgon ou o Crípton, conseguindo-se maiores temperaturas de funcionamento e consequentemente maiores rendimen-tos.

3.3 Tipos de Lâmpadas 21

A lâmpada de incandescência apresenta muito boa restituição de cores; temperatura de cor igual a 2700 [K], emitindo uma tonalidade quente; e baixo preço. A luz emitida por estas lâmpadas é dotada de níveis de luminância entre os 500 e os 2000 cd/m2, aproximadamente. Estes valores são prejudiciais à visão e capazes de causar encandeamento. Tem ligação direta à rede e diferentes formas e cores. Apresenta, aproximadamente, 1000 horas como duração média de vida, pelo que é considerada de baixa duração. A sua eficiência é bastante baixa, ficando pelos 2–5%, não produzindo mais que 35 luméns de luz por watt de eletricidade. Em consequência, cerca de 95%

de eletricidade consumida pela lâmpada é convertida em calor. [29] [27] [30]

Principais tipos: • Vidro soprado; • Vidro prensado; • Refletoras.

3.3.2 Lâmpadas de Halogéneo

Figura 3.4: Lâmpada de Halogéneo [4]

O funcionamento deste tipo de lâmpadas é baseado no ciclo de halogéneo regenerativo. Os seus componentes e princípio de funcionamento são semelhantes aos da lâmpada de incandescên-cia, mas nestas, o gás que envolve o filamento contém halogéneo ou compostos de halogenados, permitindo que o ciclo de halogéneo regenerativo atue. As moléculas do filamento de tungsténio (que se desprendem com o uso) são capturadas pelo composto halogéneo e quando esse composto se aproxima do filamento, é decomposto pela alta temperatura do filamento, restituindo a molécula de tungsténio, sobre o filamento da lâmpada, promovendo a sua regeneração, fazendo com que o seu desgaste seja mais lento.

Considerando a mesma potência, o tamanho desta é inferior ao da lâmpada de incandescência. Utiliza gás de enchimento como o flúor, bromo ou iodo. O seu rendimento é cerca de 25 [lm/W], apresenta muito boa restituição de cores, temperatura de cor de 3000 [K] e duração de vida média (entre 2000 e 4000 horas).

Oferece a possibilidade de ligação direta à rede ou a alimentação por tensão reduzida. Requer

cuidados no seu manuseamento devido à ausência de duplo invólucro (tipo normal). [27], [30]

Principais tipos:

• normais;

• de duplo invólucro; • de tensão reduzida;

• com refletor interno (normais e dicroicas);

3.3.3 Lâmpadas de Descarga

3.3.3.1 Luz mista

Figura 3.5: Lâmpada de Luz Mista

A lâmpada de luz mista é uma combinação da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão e da lâmpada incandescente, e é constituída por um bulbo que contém um tubo de descarga ligado em série com um filamento de tungsténio. O tubo de descarga das lâmpadas de mercúrio é utili-zado para emitir o fluxo luminoso, enquanto o filamento incandescente serve para o arranque da lâmpada.

A sua eficiência é superior à da lâmpada de incandescência, variando entre os 20 e 30 lm/W, sendo por isso muito utilizada como alternativa a esta última. Apresenta índice de restituição de cores de, aproximadamente, 60 e duração de vida (2000 horas) média. Permite ligação directa à rede. Este tipo de lâmpada, que apresenta diversas formas e cores, é usada em iluminação de

3.3 Tipos de Lâmpadas 23

3.3.3.2 Vapor de Sódio de Alta Pressão

Figura 3.6: Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão [5]

Emitem luz de aparência amarelo-alaranjada e o seu rendimento pode chegar a 150 lm/W. Possui um índice de restituição de cores entre 25 e 60, índice de restituição de cores médio

elevado (IRC cerca de 80), temperatura de cor entre 1900 e 2500oK e duração de vida longa

(podendo atingir 20 000 horas).

Necessitam de aparelhagem auxiliar (balastro para limitar as correntes de arranque, arrancador que proporciona um pico de tensão para a lâmpada arrancar e condensador) e de tempo de arranque e de re-arranque de 5 e 1 minutos, respetivamente. O seu preço é mais elevado do que o das de mercúrio, possuindo também um maior rendimento luminoso. São principalmente usadas em

iluminação pública e em iluminação industrial. [27] [30]

3.3.3.3 Vapor de Mercúrio de Alta Pressão

As lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão emitem luz de aparência branca-azulada. São constituídas por um tubo de descarga transparente, inserido num bulbo de vidro. O seu rendi-mento varia entre 36 e 60 lm/W e o índice de restituição de cores entre 40 e 57. A duração de vida é superior a 10 000, podendo chegar às 12 000 horas, sendo, por isso, considerada uma lâmpada de duração de vida média. A sua temperatura de cor oscila entre os 3800 e os 4100 K. O tempo de ar-ranque e de re-arar-ranque é de, respetivamente, 4 e 6 minutos. Necessitam de aparelhagem auxiliar (balastro e condensador) para correto funcionamento. Têm aplicação industrial e pública (onde têm vindo a ser substituídas pelas lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão que têm rendimento

superior). [27]

3.3.3.4 Vapor de Mercúrio de Iodetos Metálicos

Figura 3.8: Lâmpada de Vapor de Mercúrio de Iodetos Metálicos [6]

As lâmpadas de mercúrio de iodetos metálicos, além de proporcionarem uma boa restituição de cores, garantem um rendimento luminoso elevado e uma vida útil elevada, podendo chegar às 11 000 horas. Apresenta um excelente índice de reprodução de cores, na ordem dos 85-90, eficiência elevada e rendimento luminoso até 96 lm/W. A sua temperatura de cor, varia entre os 3000 e os 6500 K. Porém, esta tecnologia necessita de aparelhos auxiliares (balastro, arrancador e condensador) e tem um custo elevado, pelo que é essencialmente aplicada em espaços exteriores

3.3 Tipos de Lâmpadas 25

3.3.3.5 Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão

Figura 3.9: Lâmpada de Vapor de Sódio de Baixa Pressão [6]

São as lâmpadas de maior rendimento luminoso, atingindo os 200 lúmen por watt. Tem um índice de restituição de cores praticamente nulo. Esta lâmpada produz uma luz monocromática (amarela-alaranjada) - característica indesejada em espaços interiores-, sendo aplicada, maiorita-riamente, em iluminação de vigilância ou em iluminação pública que não exija elevada acuidade

visual. Têm uma temperatura de cor de cerca 1700oK e uma duração de vida tipicamente de

18000 horas.

A luminância emitida permanece constante ao longo da sua vida, mas o consumo de

eletrici-dade aumenta ligeiramente no seu fim, devido à degradação dos elétrodos. [29] [27]

3.3.3.6 Lâmpada de Indução Magnética

As lâmpadas de indução não têm elétrodos, mas sim um núcleo de ferrite, que gera um campo magnético que induz uma corrente elétrica no gás, provocando a sua ionização e a emissão de radiação luminosa visível. Funcionam a alta frequência, o que permite obter uma luz confortável e sem oscilações.

A luz é, normalmente, branca com temperatura de cor em torno dos 4000oK, podendo durar

entre 50000 e 100000 horas.

Têm um tempo de arranque e de re-arranque rápido e sem cintilação. Necessitam de aparelhagem auxiliar (gerador de alta frequência externo).

São usadas principalmente em iluminação de túneis e iluminação de naves industriais muito

3.3.4 Lâmpada Fluorescente

Figura 3.10: Lâmpada Fluorescente [6]

A lâmpada fluorescente, é uma lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão, que se tornou popular nos anos 70 e hoje se encontra em cerca de 80% da luz artificial mundial. Tem um bom índice de restituição de cores (entre 85 e 95), temperatura de cor variável entre 2700 e 5000

o_{K e duração de vida longa (10000 horas, podendo atingir 50000 horas dependendo o tipo de}

revestimento).

Atualmente as lâmpadas fluorescentes são constituídas por um tubo de descarga com 26 mm de diâmetro (tipo T8), são tri-fosfóricas e têm apenas 3 mg de mercúrio; ou, no caso das de última geração, um tubo de descarga com 16 mm de diâmetro (tipo T5), um novo pó tri-fósforo que garante um melhor rendimento e uma melhor restituição de cores.

O seu rendimento pode chegar a 100 lúmen por watt e a sua eficiência usualmente varia entre 6,5% e 14,5%. Necessita de aparelhagem auxiliar (balastro magnético e condensador ou balastro eletrónico). É necessário recorrer ao uso de balastros para fazer o controlo da tensão que permite ligar a lâmpada e para limitar variações de corrente, impedindo que a resistência do gás condutor decresça.

São as lâmpadas mais utilizadas em iluminação interior, com uma larga gama de temperatura

de cor. [29] [27]

3.3.5 Lâmpada Fluorescente Compacta

A lâmpada fluorescente compacta é considerada uma lâmpada de baixo consumo e de baixa emissão térmica. O seu principio de funcionamento é idêntico ao das fluorescentes normais, mas tem, pelo menos, um tubo de descarga para tornar a lâmpada mais compacta. O seu rendimento é menor que o da anterior, devido ao tamanho do tubo de descarga.

Apesar de atingir um valor superior de temperatura de cor, as suas características não diferem muito da lâmpada fluorescente.

É possível encontra-las com casquilho para substituição direta das lâmpadas de incandescência e ligação direta à rede e com refletor interno para substituição das lâmpadas de halogéneo com refletor interno; com balastro externo, convencional ou eletrónico; com casquilho de 4 contatos

3.4 Luminárias 27

para utilização com balastro eletrónico, permitindo uma regulação contínua do fluxo luminoso,

possível possibilitando o seu uso em armaduras de iluminação de emergência. [29] [27]

3.3.6 LED: Díodos Emissores de Luz

Um díodo é um dispositivo eletrónico composto por dois materiais distintos, ambos semicon-dutores, que permitem que a corrente elétrica circula numa única direção. A luz é o resultado da libertação de energia provocada por este movimento.

Os LEDs convencionais são feitos a partir de diversos materiais semicondutores inorgânicos, produzindo várias cores.

Este tipo de lâmpada tem uma eficácia que varia entre os 65 e os 100 lúmen por watt (eficiência de até 15%) e um período de vida longo (até 50000 horas).

A luz é gerada através do aquecimento dos semicondutores devido ao movimento dos eletrões que se encontram no seu interior, provocado por uma tensão que lhe é aplicada.

Apesar do custo inicial ser elevado, quando bem aplicados, os LEDs acabam por compensar, devido ao seu baixo consumo energético e manutenção reduzida.Para além destes aspetos, per-mitem maiores efeitos estéticos, com maior impacto que os meios convencionais e não contém mercúrio.

É cada vez mais vulgar a utilização desta tecnologia em iluminação de emergência e

ilumina-ção decorativa. [29] [28]

3.4

Luminárias

As luminárias são o equipamento que contém a lâmpada, modificando a distribuição do fluxo

luminoso que esta produz no espaço onde se encontra [33].

É composta pelo recetáculo para a fonte luminosa, pelos dispositivos que modificam a distri-buição espacial do fluxo luminoso (refletores, refratores) e pela carcaça, órgãos acessórios e de

complementação [33].

É pretendido que esta otimize o desempenho do sistema de iluminação artificial, pelo que a sua eficiência e características devem ser avaliadas. A luminária absorve uma parte da luz emitida pela lâmpada, pelo que, quanto menor for essa parte, maior será a sua eficiência. Para tal, deve ser tido em consideração que a escolha dos materiais de que é composta, a refletância da sua superfície, a sua forma, os dispositivos de proteção da lâmpada e o seu estado de conservação têm influência

neste aspeto. [33]

Assim, através de dispositivos como refletores, refratores ou difusores, a luminária pode ser responsável por controlar, distribuir e filtrar o fluxo luminoso ou reduzir a quantidade de luz em certas direções.

3.5

Sistemas de Gestão de Iluminação

Os sistemas de comando automatizado permitem um maior conforto e, em muitos casos, uma maior eficiência da energia e rendimento do espaço.

3.5.1 Gestão por Sistema Horário

A gestão horária pode ser aplicada através da utilização de um automático de escada, de um interruptor horário ou astronómico, ou recorrendo a uma gestão técnica centralizada.

A utilização de automático de escada, como o nome indica, é usado em zonas de circulação, como escadas. Nestes locais, a presença contínua de pessoas não é frequente, pelo que este sistema é ativado através de um botão de pressão e desligado automaticamente. O tempo após o qual este desliga a iluminação é predefinido, tendo em conta as características do local. Tem ainda um contacto de marcha forçada (interruptor), que permite a sua ativação permanente nos casos em que se justifica.

A utilização de um interruptor horário, que pode ser analógico ou digital, destina-se a controlar a iluminação de zonas como uma cantina, que está em funcionamento no período de almoço e/ou à noite. Interagem em paralelo com outros comandos locais, como interruptores simples ou sistemas de gestão centralizada.

O uso de um interruptor astronómico é programado baseando-se na latitude ou longitude, não necessitando de célula fotoelétrica.

Os sistemas de Gestão Técnica Centralizada (GTC) permitem fazer uma gestão adequada, monitorizando, controlando, comandando e gerindo, de forma integrada, as várias instalações existentes no edifício. O sistema permite otimizar o funcionamento dos equipamentos respeitando as necessidades de conforto de cada utilizador. No caso de anomalia ou avaria, é capaz de alertar o serviço de manutenção, para que sejam tomadas as medidas necessárias à sua correção.

O sistema de GTC inclui um software, que permite coordenar as diversas instalações exis-tentes, e encontra-se, geralmente, em grandes edifícios de serviços. Estima-se que estes sistemas

permitam poupanças entre 15 e 20%. [34].

3.5.2 Gestão por Deteção Automática

Como exemplos deste tipo de sistemas temos os que recorrem a interruptores crepusculares ou variadores, ou a detetores de movimento/presença.

O interruptor crepuscular liga ou desliga o circuito, consoante a presença de luz natural, com auxílio de uma célula fotoelétrica instalada no exterior.

O interruptor variador permite variar a intensidade luminosa presente em determinado espaço. O detetor de movimento/presença pode pertencer a uma das seguintes categorias: Sistemas por deteção de infravermelhos, sensores ultrassónicos e detetores de dupla tecnologia.

Os sistemas por deteção de infravermelhos detetam que um local está ocupado, através da diferença de temperatura emitida pelo corpo humano e a temperatura da área em redor.