1 Introdução
As empresas, em um mercado cada vez mais competitivo, estão à procura de novos conhecimentos de gestão e de novos modelos voltados na eficiência de seus processos, a fim de garantir uma gestão mais eficaz, principalmente nos custos operacionais e no uso dos seus recursos. E a energia elétrica como é um bem imprescindível para o funcionamento de qualquer operação, os seus custos requer uma atenção especial. Com bom diagnóstico nas instalações, o gestor pode identificar, quantificar e avaliar as perdas de energia existentes nas instalações, buscando tecnologia mais sustentáveis para o uso da energia elétrica.
Baseado no Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência de Edificações Comerciais RTQ-C [1] e através dos Programa de Eficiência Energética em edificações (Procel Edifica) e com o Programa de Etiquetagem Nacional de Conservação de Energia (ENCE)[2], que avaliam as construções das edificações em três sistemas distintos : a envoltória; a iluminação; e o condicionamento de ar. No entanto, neste estudo serão avaliados apenas os sistemas de iluminação e do condicionamento de ar e de aquecimento, além de fazermos uma proposta de substituição de fonte de energia elétrica para alimentar toda a unidade de ensino.
Para o processo de etiquetagem dos ambientes serão utilizados o método prescritivo, que esta baseado no cálculo de uma série de variáveis referentes aos aspectos construtivos da edificação com os valores definido pelas normas a RTQ-C e a ISO/CIE 8995-1[3]. E cada um dos sistemas avaliados, receberá uma nota de eficiência, variando de A (mais eficiente), B, C, D, E (menos eficiente), conforme descrito no RTQ-C[4] na tabela 1.
Tabela 1: Níveis de Eficiência e seus Equivalentes
Numéricos.
Fonte: RTQ- C (versão 2, p.63)
A classificação final da eficiência da edificação, será dada pela soma de todas as avaliações dos equivalentes numéricos dos dois sistemas analisados de acordo com a equação.Será considerado que o sistema de iluminação terá o peso de 30% e o sistema de condicionamento de ar terá o peso de 40%, conforme a equação 1[5].
Onde,
EqNumDPI: equivalente numérico do sistema de iluminação, identificado pela sigla DPI, de Densidade de Potência de Iluminação;
EqNumCA: equivalente numérico do sistema de condicionamento de ar;
EqNumV: equivalente numérico de ambientes não condicionados e/ou ventilados Naturalmente, descrito na tabela 2.
Tabela 2- Nível de eficiência, definido pelo INMETRO de ar tipo split.
Fonte: RTQ-C (versão 2, p.182)
APT: área útil dos ambientes de permanência transitória, desde que não condicionados;
ANC: área útil dos ambientes não condicionados de permanência prolongada, com comprovação de percentual de horas ocupadas de conforto por ventilação natural (POC) através do método da simulação;
AC: área útil dos ambientes condicionados;
AU: área útil;
b: pontuação obtida pelas bonificações, que varia de zero a 1.
2 Sistema de Iluminação
A luz é a parte integrante no processo de aprendizado escolar. Nas ultimas décadas vem crescendo o número de pesquisas que avaliam as condições de iluminação em edifícios educacionais e que vem demonstrando como a luz influência nos desempenhos das atividades no trabalho, principalmente nas funções moto-sensorias do individuo. Revelando que, a iluminação em uma escola é um fator crítico e com a iluminação deficiente não só é prejudicial ao conforto visual dos ocupantes, mas também pode levar à fadiga visual. Pesquisas mostraram que as fontes de iluminação têm um forte impacto no sistema circadiano (ritmos diários da vigília/sono), onde o espectro da luz do dia é importante para a diminuição da melatonina, que é um hormônio responsável pela regulação do relógio biológico e sua presença facilita o sono; durante o dia, sua concentração no corpo é reduzida, e a luz do dia desempenha um papel muito importante neste processo, figura 1. Estudos revelam que se utilizar um sistema dinâmico de luz artificial, pode estimular mecanismo biológico de maneira a melhorar o estado de atenção e vigilância e sobre a produtividade do individuo. No entanto, as propriedades espectrais do envidraçamento pode levar a exposições inadequadas as certas fontes de luz, alterando o ciclo circadiano do individuo.
Figura 1- Ciclo Circadiana X Hormônios
Fonte: (https://seucorposeutempo.wordpress.com/2016/11/18/
melatonina-o-hormonio-do-escuro/)
Em base desses argumentos, o Projeto de iluminação School Vision[6], que foi desenvolvida pela Philips e implantada em uma escola básica de Veldvest De Rank em Veldhoven no sul da Holanda em duas turmas, demonstra como é importante a distribuição espectral da luz no ambiente acadêmico. Este sistema inovador, procura criar a atmosfera nas salas de aula ideal para a aprendizagem, permitindo que os docentes escolham entre quatro cenários de iluminação predefinidos: “Normal”, “Energia”, “Foco” ou “Calmo”. Estas definições podem ser utilizadas para acalmar as crianças quando estão muito enérgicas, despertá-las quando estão apáticas ou ajudá-las a concentrar-se durante tarefas complexas. Os resultados preliminares demonstraram resultados bastantes satisfatórios, onde a concentração foi 8,7% superior na sala de aula com a SchoolVision. Este valor aumentou para 13,6% no mês seguinte e espera-se um aumento dos resultados a longo prazo.
3 Sistema de Condicionamento do Ar
Baseado no programa de etiquetagem da Procel [7] os equipamentos de refrigeração foram classificados individualmente de acordo com os seus selos e foram avaliados também em função da área ocupada conforme os requisitos preconizado pela norma NBR 6401 Instalações centrais de ar-condicionado para conforto - Parâmetros básicos de projeto[8]. Com base nas normas vigentes, o dimensionamento de cada equipamento foi considerado para cada metro quadro uma carga estimada de 600 Btu’s e a soma de 600 Btu’s para cada indivíduo que ocupa a sala.
4 Sistema de Aquecimento nas Piscinas.
É importante considerar que quanto maior for a diferença de temperatura da superfície da água da piscina e da temperatura do ar imediatamente acima da superfície, maior será a taxa de evaporação da água e, com isso, a taxa de transferência de calor da água para o meio também aumenta consideravelmente, levando a um maior consumo de energia para a recuperação (manutenção) da temperatura da água. Por isso, é necessário fazer uma , instalação de um sistema simples de automação para que o controle de temperatura acione o sistema de aquecimento, composto por um sensor de temperatura, um controlador de temperatura e um relé de comando para a moto bomba do sistemas de filtragem e de aquecimento, tornando-o o processo de aquecimento bem mais racional e eficaz, além reduzir consideravelmente os custos com a manutenção do sistema, já que tanto a bomba de calor, não foi concebidos para operar por períodos de tempo muito longos sem interrupções.
E para obter a Classificação A, segundo a RTQ-C, o sistema tem como pré-requisito geral, ter 100% da demanda de água quente e se for de classificação B, ter 70% da demanda de água quente, proveniente de um ou mais dos sistemas listados abaixo :
Ø Sistema de aquecimento solar com os coletores solares voltados para o Norte Geográfico.
Ø Sistemas de aquecimento de água por bombas de calor ou trocador de calor devem possuir COP igual a 3,0 W/W, conforme descrito na tabela 3.
Ø
Tabela 3 - Nível de eficiência, definido pelo INMETRO
Fonte: autor
5 Estudo de Caso.
5.1 Características do Estabelecimento
O artigo esta baseado em uma das instalações do Colégio Primeiro Passo que fica localizado no bairro de Boa Viagem da cidade do Recife, atendendo alunos da faixa etária 1,5 ao 10 anos, ocupando uma área de mais 3.000 m². A unidade predial compreende em dois pavimentos, que atende 637 alunos nos dois turnos, possue duas quadras poli esportiva, 30 salas de aulas, dormitório, refeitório, sala de baile , sala de judô, briquedoteca, perfazendo um total de 103 ambientes a serem analisados. Conforme descrito nas plantas baixa das figuras 2 e 3, os ambientes estão mapeados de acordo com as suas principais atividades realizadas em cada ambiente, tabela 4.
Figura 2 - Planta baixa do Térreo com suas
principais atividades.
Fonte: Autor
Tabela 4 - Descrição dos ambientes em função das
Atividades.
Fonte: autor
Figura 3 - Planta do piso superior com suas principais atividades.
Fonte: autor
5.2 Sistema de Iluminação
O sistema de iluminação do Colégio Primeiro Passo utiliza aproximadamente 933 lâmpadas, sendo fluorescente tubular do tipo TL8 de 20W e de 40W, PL 12 W, lâmpadas mistas 250 W e de vapor de metálico, totalizando uma carga de iluminação estimada de 4.384,72 W. No qual foram realizados um levantamento quantitativo da lâmpadas e de luminárias e sua disposição no edifício, com suas respectivas potências individuais e totais.
Pontuamos também, algumas características do sistema instalado, como: a distribuição inadequadas (falta de uniformidade) nos níveis de iluminância, luminárias ( vários tipos e com baixo índice de refletância), presença de ofuscamentos dentro do campo de visão, o índice de reprodução de cor no ambiente inapropriado. E para auxiliar na tarefa de encontrar uma melhor forma de padronizar os ambientes e de melhorar os níveis de iluminância, foi utilizado a ferramenta, o programa Dialux EVO 8.0, conforme as figuras (4), (5) e (6).
Figura 4 - Visão do andar Inferior com cores falsas
Fonte: Autor
Figura 5 - Visão do andar Superior com cores falsas
Fonte: autor
Figura 6 - Representação em 3D de uma sala de aula.
Fonte: autor
Em conjunto com os resultados obtidos pelo programa Dialux EVO e utilizando o método das
atividades, recomendado pelo RTQ-C, que analisa as atividades desenvolvidas para cada ambiente, observou que podemos substituir várias luminárias que apresentam baixo índice de refletancia e de luminosidade, conforme a Norma ISO/CIE 8995-1. A proposta é a substituição de 766 lâmpadas por Led , o que vai apresentar uma redução de consumo de energia de forma bem representativa, além de atender a Densidade de Potencia de Iluminação DPL e os três pré – requisitos estabelecidos pela RTQ-C, que são:
Ø Divisão de circuitos, cada ambiente fechado deve possuir pelo menos um dispositivo de controle manual para o acionamento independente da iluminação interna do ambiente e cada controle manual deve ser facilmente acessível e controlado, localizado de forma que permita a visão clara de todo ambiente, requesito parcialmente atendido, figura 8;
Ø Contribuição de luz natural, as fileiras mais próximas as janelas e ou com aberturas ao ambiente externo devem possuir dispositivo de acionamento manual ou automático para o acionamento independente da fileira de luminárias mais próxima à abertura, de forma a propiciar o aproveitamento da luz natural disponível, requisito parcialmente atendido.
Ø Desligamento automático, como as áreas tem menos de 250 m², não será necessário o uso de foto sensor.
Dessa forma, conforme RTQ- C da tabela 5 classifica, com o cumprimento parcial dos três pré-requesitos específicos e leva a classificação final de nível de eficiência do sistema de iluminação pelo método da atividades para o nível A.
Tabela 5 Pré- requesitos específicos de Iluminação
Fonte: RTQ-C
5.2 Sistema de Condicionamento de Ar.
Nas instalações do colégio foram verificados que existem um expressivo número de splits Hi-Wall trifásicos da categoria D e devido os ambientes necessitarem de maiores potencias térmicas, acima de 28.000 Btus e do mercado não oferecer equipamentos individuais com nível de eficiência de nível A e B.
Dos 30 ambientes avaliados foram encontrados 11 ambientes com equipamentos de eficiência de nível A e B, e 19 ambientes com com nível de eficiência D levando o índice global de Coeficiente de Eficiência Energética (CEE)do prédio para 2,73. Foram também, observados que em 14 ambientes apresentaram um baixo nível de carga térmica instalada, conforme a tabela 6, levando o valor do EqNumCA para valores baixo, determinando a classificação final do sistema para nível D, influenciando negativamente o valor final da pontuação total, por representar um peso de 40% na classificação final da eficiência na edificação.
Tabela 6 Ambientes fora dos padrões térmicos
Fonte: autor
5.3 Sistema de Aquecimento das Piscinas.
Foram escolhidos para a pesquisa, duas piscinas em um mesmo ambiente, sob condições iguais de micro-clima, com um único tipo de sistema de aquecimento, uma bomba de calor elétrica, que esta interligada nas duas piscinas, uma com capacidade de 70 mil litros e a outra com capacidade de 10 mil litros.
No inicio da pesquisa, existia um trocador de calor Jelly modelo BC- 65[9] que vinha aquecendo as piscinas há mais de quinze anos, com uma capacidade de aquecimento térmico de 64.200 Btu/h e um COP de 6,3 ( Coeficiente de Performance), conforme figura 7. O sistema vinha apresentando diversos problemas de vazamentos e elétricos. Inicialmente era TRIFÁSICO 380V e devidos há vários consertos, acabaram modificando para MONOFÁSICA 220V, tornando um sistema menos eficiente quanto ao consumo, além do seu sistema de controle de temperatura esta sempre apresentando constantes falhas.
Figura 7 Antiga Instalações do trocado de calor
Fonte: autor
A princípio foi realizado um estudo de viabilidade técnica e econômica para implantar um sistema de aquecimento térmico solar. Infelizmente, não pode ser aplicável devido a estrutura física do telhado do Colégio não poder abrigar todos os coletores na posição Norte, mas, favorecendo a instalação em outras partes, o que geraria baixa eficiência térmica e um custo elevado de instalação. E devido as constantes quebras foi substituído o trocador de calor por um Sodramar SD 80[10], que tem uma capacidade de aquecimento térmico de 78.54 Btu/h e um COP de 5,19 ( Coeficiente de Performance), conforme figura 8.
Figura 8 - Trocador de Calor Sodramar SD 80
Fonte: autor
5.4 Resultados obtidos de acordo com os requisitos da RTQ-C.
De acordo com a equação 1 apresentada anteriormente na seção 1, a classificação final da eficiência da edificação, será dada pela soma de todas as avaliações dos equivalentes numéricos dos dois sistemas analisados, de iluminação e de condicionamento do ar, conforme descrito na equação 2.
6. Estudo de Viabilidade Econômica.
Em função da conta de energia encontrada na unidade consumidora e sob uma análise das tarifas praticadas pela CELPE, tabela 8, podemos avaliar o desempenho técnico e econômico dos sistemas de (iluminação, refrigeração, aquecimento) antes e após a substituição ou a inserçao de componentes que o integram. Permitindo com isso, um estudo mais próximo da realidade. E através do levantamento de carga realizado em cada sistema, representado na figura 9, verifica-se o percentual de participação de cada sistema no consumo geral.
Tabela 8 Consumo ativo do Colégio
Fonte: autor
Figura 9 Consumo Ativo de cada sistema
Fonte: autor
Mapeado o perfil de consumo, encontramos o primeiro cenário com diversos tipos de lâmpadas e em alguns ambientes com baixo índice de luminância, visualizado na figura 10.
Figura 10 Vários tipos de luminárias no mesmo ambiente Fonte: autor
De posse do resultado obtido anteriormente e sabendo-se que o objetivo deste artigo é classificar o colégio com a melhor nota possível de eficiência, algumas soluções foram preparadas para tentar contornar os problemas encontrados no cenário 1, com a criação de alguns outros cenários, como: cenário 2 substituir todas as lampadas por Led; cenário 3 substituir a bomba de calor por um sistema mais eficiente e autonomo; cenário 4 implementar um sistema fotovoitaico que atenda a demanda de consumo de energia de toda a escola.
Neste artigo o estudo da viabilidade econômica será realizados para os cenários 2 e 4. A primeira, esta relacionada com a carga do sistema de iluminação que será reduzida em função das trocas de todas TL 18 e 36 w fluorescentes por LED Essential Led Tube da Philips (LEDTUB9W220/86 e LEDTUB18W220/865)[11] que tinha uma carga estimada de 10.194,2 KWh/mês passa a ter uma carga estimada de 3278,88 KWh/mês, havendo uma redução de 32%.
Foram considerados que o custo médio da energia é de R$ 0,43 KW/h, e os investimentos iniciais para a substituição de 14 lâmpadas do tipo (LEDTUB9W220/865)[11] foram estimados em R$ 366,80 e para as 752 lâmpadas do tipo (LEDTUB18W220/865) [11] para valores de R$ 24.740,80. Também foi levado em consideração a economia gerada pela diminuição do consumo.
Foram obtidos um de retorno do investimento deste retrofit a partir do segundo ano para as lâmpadas LEDTUB9W220/865 e no terceiro ano para as lâmpadas LEDTUB18W220/865, conforme representados nas figuras 11 e 12.
Figura 11 – Payback para as LEDTUB18W220/865
Fonte: autor
Figura 12 – Payback para as LEDTUB9W220/865
Fonte: autor
Após o retorno deste investimento podemos executar a segunda etapa do estudo, que será a implementação de um sistema que utilize uma fonte de energia renováveis utilizando um sistema fotovoltaico que captará uma a radiação média de 5,3 kWh/m².dia nos seus paineis de podendo gerar em média 11.500 KWh/mês com potencia nominal de 92,10KWp numa área 520 m² disponível no telhado do estacionamento do Colégio, afim de diminuir os custos de energia e que atenda a nova demanda. Serão levados em considerações alguns paramentos, tabela 9.
Tabela 9- Paramentos para o Sistema Solar
Fonte: autor
Com base nos paramentos apresentados anteriormente e utilizando o programa PVsyst 6.7, como uma ferramenta de auxiliar para dimensionar os componentes do sistema fotovoltaico, figura 13. Onde as quantidades e especificações dos equipamentos estão descritos, tabela 10.
Figura 13 - Dados fornecidos pelo PVsyst 6.7
Fonte: autor
Tabela 10 - Descrição dos componentes do
sistema PV.
Fonte: autor
Nesta segunda etapa com instalação de painéis solares e levando em considerações alguns critérios:
Considerações e Critérios.
1 - A produção da planta solar está relacionada à radiação solar mensal da localidade. Como há variação da radiação solar durante os meses do ano, a geração pode variar.
2 - No dimensionamento do sistema foram considerados 11,5% de perdas por temperatura, 1,9% de perdas na conversão CC-CA, 1,7% de perdas por sujeira e sombreamento e 1,2% de perdas no cabeamento, 0,7% outros totalizando 17 % de perdas.
3 - Para estudos solarimétricos do local, uma série de dados de radiação foram importados da base de dados radiométricos METEONORM 7.1, ferramenta de estimação via satélite, onde realizado um estudo da área no período de um ano. Este modelo visa reproduzir séries temporais de irradiação, com comportamento estatístico análogo aos valores medidos em diversas partes do mundo, resultando assim em uma séria temporal horária sintética.
4- Para este sistema que será conectado à rede, a utilização deste método costuma apresentar diferenças na produção energética anual na ordem de 0,5 a 1%.
5 - A tarifa terá um ajuste anual de 8%.
6 - Na simulação foi considerado a captação do recurso para financiamento dado pelo programa FNESOL do Banco do Nordeste, onde foi considerado com uma taxa de financiamento em 5% ao ano.
A implantação será dada numa área reservada para estacionamento de pais e professores onde ocupará uma área aproximada 511 m² de coberta, figura14.
Figura 14 – Foto ilustrativa dos painéis solar
numa coberta do estacionamento.
Fonte: solarenergy
Nesta segunda de etapa de estudo de viabilidade econômica para a implantação de um sistema fotovoltaico, estão sendo considerados que: o custo de instalação é de R$ 4.900,00 por Kwp, perfazendo um total de R$ 451.230,00 para toda a unidade de geração; o Colégio fez a opção de ser um consumidor de Tarifa B Optante não pagando mas a demanda contratada, somente a taxa de disponibilidade; por migrar para o uso de um sistema de energia renovável, tem uma isenção de impostos ICMS/PIS/CONFIS sobre a fatura. Levando em conta estas considerações acima citadas, o Colégio após a migração terá uma economia anual aproximada de R$ 107.504,64 na sua fatura. E com essa economia anual terá como custear esta instalação, obtendo um retorno de investimento a partir do quarto n ano, figura 15.
Figura 15 - Estudo de viabilidade para a
implementação de um sistema PV.
Fonte: autor
7. Conclusões
Neste artigo foram analisados e aplicado o Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Comerciais, de Serviço e Públicas, RTQ-C, regulamento vigente no Brasil, que se refere a eficiência energética em edificações, com o objetivo de tornar o colégio com conceitos ecologicamente correto, buscando identificar ações de cunho sustentável que agreguem ao estabelecimento um maior valor sócio-ambiental, encontrando soluções que ao mesmo tempo preservem os recursos naturais, como também gerem uma economia de energia.
Sabe-se que a tendência é adotar o uso de lâmpadas de Led onde foram obtidos na simulação uma redução de gastos na conta em torno de 34% e obtendo um nível de eficiência A, um resultado bastante satisfatório. Quanto a conservação de energia, deve-se buscar equipamentos que integram ao sistema de refrigeração um CEE/EER ( Coeficiente de Eficiência Energética/Índice de Eficiência Energética) acima de 2,73, conforme a tabela 2. E um COP (Coeficiente de Desempenho) acima de 5 para os equipamentos que integram o sistema de aquecimento.
Após realizadas as novas adequações aos sistemas para os padrões estabelecidos de eficiência energética, busca-se uma fonte de energia renovável que atenda a demanda da escola, conforme proposto na simulação de cenário 4, um sistema fotovoltaico on grid.
A grande barreira, sem dúvida, são os elevados investimentos iniciais a realizar, para a substituição de equipamentos mais eficientes, como o sistema e como também, a instalação de um sistema fotovoltaico, onde seus retornos de investimentos terão em media a partir do segundo ano para o sistema de iluminação e para o sistema fotovoltaico a partir do quinto ano.
Infelizmente a Pontuação Total para o Nivel de Eficiência do Colégio não ficou satisfatório, nível E, devido a influencia negativa do sistema de condicionamento de ar apresentar um nivel de EqNumCA muito baixo, determinado pela classificação final do sistema com nível D, conforme o resultado obtido na equação 2 da seção 3.4.
Referências
[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. Regulamento Técnico da
Qualidade do Nível de Eficiência Energética
para Edificações Comerciais, de Serviço e
Públicas (RTQ-C) – Publicado através da
portaria nº 372, de 17 de setembro de 2010.
[2] INMETRO - Requisitos de Avaliação da
Conformidade para Eficiência Energética em
Edificações (RAC) – Publicada através da
portaria nº 50 de 01 de fevereiro de 2013.
[3] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS NBR ISO/CIE 8995- 1 Iluminação
de ambientes de trabalho –Parte 1: Interior.
Rio de Janeiro – 2013.
[4] INMETRO – Tabela de edificações comerciais,
de serviço e públicas. Disponível no
<http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe
/tabelas-comerciais.pdf> acesso :10
dezembro 2017.
[5] PBE EDIFICA – Manual para Aplicação do
RTQ- C <www.pbeedifica.com.br>
acesso em 10 dez.2017
[6] PHILIPS <http://www.lighting.philips.com/
main/cases/cases/education/schoolvision-
austria>.Acesso em:12 jan.2018.
[7] PROCEL INFO < www.procelinfo.com.br>.
Acesso em 10 dez.2017.
|
[8] |
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6401 Instalações Centrais de ar-condicionado para conforto - Parâmetros básicos de Projetos. Rio de Janeiro: ABNT, 2008.
|
|
[9] |
Jellyfish -<http://jellyfish.com.br/>.Acesso em 10 dez. 2017.
|
|
[10]
[11] |
Sodramar -<http://www.sodramar.com.br>. Acesso em 10 dez.2017. Philips. Guia Prático Philips Iluminação, Lampadas, Reatores, Luminárias e Leds 20 disponível <http://www.ceap.br/material/MAT251020122415.pdf>. Acesso em 12 jan 2018
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