Melhoria da Eficiência Energética na Escola de Hotelaria e Turismo do Porto

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto MELHORIA DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ESCOLA DE HOTELARIA E TURISMO DO PORTO ANA FILIPA REMOALDO OLIVEIRA Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Energia ORIENTADOR: Professor Doutor António Carlos Sepúlveda Machado e Moura CO-ORIENTADOR: Engenheiro Fernando Ramos SETEMBRO DE 2015 ii   Ana Filipa Remoaldo Oliveira, 2015 iii iv v “Recomeça… Se puderes, Sem angústia e sem pressa. E os passos que deres, Nesse caminho duro Do futuro, Dá-os em liberdade. Enquanto não alcances Não descanses. De nenhum fruto queiras só metade. E, nunca saciado, Vai colhendo Ilusões sucessivas no pomar E vendo Acordado, O logro da aventura. És homem, não te esqueças! Só é tua a loucura Onde, com lucidez, te reconheças. ” Miguel Torga vi vii Resumo No século XXI, a utilização racional da energia por parte de toda sociedade impõe-se por motivos económicos e ambientais, numa perspetiva de desenvolvimento sustentável. Depois de muitas décadas de consumos excessivos de energia, a sociedade humana encontra - se num momento decisivo, face à crise económica que atravessamos e às alterações ambientais potencialmente irreversíveis provocadas no nosso planeta nos últimos dois séculos. Neste enquadramento, todos os estudos de eficiência energética estão justificados. Na presente dissertação, verifica-se a possibilidade de optimizar as condições de eficiência energética dos sistemas de iluminação e AVAC da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto. Inicialmente é feita uma análise às condições atuais de iluminação dos espaços, através do software Dialux e verifica-se se existem melhorias a serem implementadas. O mesmo se faz relativamente ao sistema de AVAC, verificando-se as condições atuais de operação dos equipamentos, percebendo-se se o seu funcionamento se encontra ajustado e em consonância com a dinâmica das instalações. Por último, analisa-se o tarifário de eletricidade utilizado pela Escola, de modo a se verificar uma possível melhoria na fatura energética. Para todas as análises, nas situações em que existe possibilidade de melhorias, sugere-se a implementação das mesmas. Por fim, apresentar-se-ão um conjunto de medidas e investimentos possíveis, de modo a aumentar a utilização racional de energia e a eficiência energética, permitindo, ao mesmo tempo, uma poupança anual no valor da fatura energética. Palavras-chave: climatização, eficiência energética, escola, iluminação, tarifário de eletricidade viii ix Abstract In the twenty-first century, the rational use of energy by the whole society imposes itself for economic and environmental reasons, in a sustainable development perspective. After many decades of excessive energy consumption, human society is at a turning point, given the economic crisis we are experiencing and potentially irreversible environmental changes caused on our planet over the past two centuries. In this context, all energy efficiency studies are justified. In this thesis, there is the possibility to optimize the energy efficiency of conditions of lighting systems and HVAC of the Hotel and Tourism School of Porto. We begin with an analysis of current conditions of illumination of spaces through Dialux software and checks whether there are improvements to be implemented. The same is done in relation to the HVAC system, verifying the current condition of equipment operation, perceiving up its operation is adjusted and in line with the dynamics of facilities. Finally, we analyze the electricity tariff used by the School, in order to verify a possible improvement in the energy bill. For all analyzes, in situations where there is possibility of improvement, it is suggested to implementation. Finally, will present a set of measures and possible investments in order to increase the rational use of energy and energy efficiency, while at the same time, annual savings in the amount of the energy bill. Keywords: air conditioning, electricity tariff, Energy efficiency, lighting, school xvi 7.2.5 - Considerações gerais sobre a Iluminação ............................................................................... 75 7.3 - Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado ..........................................77 7.3.1 - Estudo e Análise do Sistema de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado ........ 77 7.3.1.1 - Equipamentos e circuitos Hidráulicos ................................................................................................ 77 7.3.1.2 - Caldeiras .......................................................................................................................................................... 77 7.3.1.3 - Chiller ................................................................................................................................................................ 77 7.3.1.4 - Grupos electrobombas ............................................................................................................................... 79 7.3.1.4 - Unidades de tratamento de ar ................................................................................................................ 79 7.3.1.5 - Ventiladores ................................................................................................................................................... 80 7.3.1.6 - Ventiloconvectores ...................................................................................................................................... 80 7.3.2 - Considerações gerais sobre o AVAC .......................................................................................... 81 Capítulo 8 - Conclusões e trabalhos futuros ................................................................... 83 Referências ................................................................................................................................ 85 Anexo A ........................................................................................................................................ 88 A.1 - Níveis de Iluminação................................................................................................................88 A.2 - Horários de funcionamento das lâmpadas ......................................................................90 A.3 - Lâmpada LED 28W ....................................................................................................................91 A.4 - Dados das lâmpadas da escola .............................................................................................92 A.5 - Fatura energética ......................................................................................................................93 xvii Lista de figuras Figura 1 - TOP 10 (MtCO₂ - toneladas métricas) [1] ....................................................... 3 Figura 2 - Distribuição da população mundial em 2040 [4] ............................................... 4 Figura 3 - As 10 maiores economias no mundo em 2050, medidas em PIB (mil milhões de USD de 2006) [5] .................................................................................................. 5 Figura 4 - Necessidades primárias de energia (2035) [7] .................................................. 5 Figura 5 - Consumo primário de energia a nível mundial, 2014 (em milhões de t) [2] .............. 6 Figura 6 - Consumo regional padrão (%), 2014 [2] .......................................................... 6 Figura 7 - Previsão da procura de combustíveis até o 2035 [7] .......................................... 7 Figura 8 - Situação do protocolo de Kioto, 2005 ............................................................ 8 Figura 9 - Evolução dos consumos de energia Primária e Final [6] ...................................... 9 Figura 10 - Dependência energética entre 2005 e 2014 [6]............................................... 9 Figura 11 - Contributo da energia renovável no consumo de energia final em 2013 [10] .......... 10 Figura 12Evolução da potência instalada [10] ............................................................ 10 Figura 13 - Metas a atingir em 2020 [11] .................................................................... 11 Figura 14 - Classes de eficiência energética [22] .......................................................... 24 Figura 15 - Tipos de casquilhos das lâmpadas incandescentes. [30] ................................... 25 Figura 16 - Casquilhos lâmpadas fluorescentes lineares [22] ............................................ 25 Figura 17 - Casquilhos lâmpadas fluorescentes compactas [22] ........................................ 26 Figura 18 - Balastro electrónico .............................................................................. 36 Figura 19 - Automático de ..................................................................................... 37 Figura 20 - Interruptor horário analógico [34] ............................................................. 38 Figura 21 - Interruptor horário digital [34] ................................................................. 38 Figura 22 - Exemplo das facetas de um detetor PIR [23] ................................................ 38 Figura 23 - Componentes de um sistema AVAC típico [38]............................................... 40 Figura 24 - Ciclo de compressão de vapor [43] ............................................................ 43 Figura 25 - Delineação dos múltiplos sistemas existentes das instalações de AVAC [37] ........... 45 Figura 26 - Tarifas de Venda a Clientes Finais [45] ....................................................... 50 Figura 27 - Escola de Hotelaria e Turismo do Porto ....................................................... 54 Figura 28 - Visão aérea e esquemática da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto ................. 55 Figura 29 - Distribuição da iluminação na Cafetaria ...................................................... 60 Figura 30 - Distribuição da iluminação no Balneário ...................................................... 61 Figura 31 - Distribuição da iluminação no restaurante ................................................... 63 Figura 32 - Distribuição da iluminação na cozinha ........................................................ 65 Figura 33 - Distribuição da iluminação na biblioteca ..................................................... 65 Figura 34 - Distribuição da iluminação na mediateca .................................................... 67 Figura 35 - Distribuição da iluminação no anfiteatro de cozinha ....................................... 67 xviii Figura 36 - Distribuição da iluminação na sala de aula ................................................... 68 Figura 37 - Distribuição da iluminação pela sala de informática ....................................... 69 Figura 38 - Distribuição da iluminação na sala de bar .................................................... 70 Figura 39 - Distribuição da iluminação da sala de reuniões ............................................. 71 Figura 40 - Distribuição da iluminação na circulação ..................................................... 72 Figura 41 - Detetor de presença e luz natural da Esylux ................................................. 74 Figura 42 - Comparação dos custos anuais atual e proposto das divisões mencionadas ............ 76 Figura 43 - Comparação dos consumos anuais atual e proposto das divisões mencionadas ........ 76 Figura 44 - Ciclo horário de Verão vs tarifário de electricidade ........................................ 78 Figura 45 - Horário do Chiller ................................................................................. 78 Figura 46 - Horário do Chiller com anticipação para horário de super vazio ......................... 78 Figura 47 - Horário do chiller com início às 8 horas ...................................................... 79 xix Lista de Tabelas Tabela 1 - População do mundo e principais áreas geográficas em 2015, 2030, 2050 e 2100 ...... 4 Tabela 2 - Fluxo Luminoso [23] ............................................................................... 18 Tabela 3 - Intensidade Luminosa [23] ....................................................................... 18 Tabela 4 - Iluminação ou iluminância [23] .................................................................. 19 Tabela 5 – Luminância [23] .................................................................................... 20 Tabela 6 - Classificação da luminária de acordo com a distribuição de seu fluxo luminoso [27] [28]. .......................................................................................................... 22 Tabela 7 - Restituição de verdadeira cor ao objeto iluminado [22] .................................... 24 Tabela 8 - Temperatura de cor das lâmpadas [22] ........................................................ 24 Tabela 9 - Classificação das lâmpadas ....................................................................... 26 Tabela 10 - Rendimento luminoso médio das fontes de luz em Lm/W [31] ........................... 27 Tabela 11 - Lâmpadas incandescentes de filamento [22] [23] [31] .................................... 27 Tabela 12 - Lâmpadas de ciclo de halogéneo [22] [23] [31] ............................................. 28 Tabela 13 - Lâmpadas de luz mista [21] [22] [23] [31] ................................................... 29 Tabela 14 - Lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão [21] [22] [23] [31] [32] .............. 30 Tabela 15 - Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão [21] [22] [23] [31] ......................... 31 Tabela 16 - Lâmpadas vapor de mercúrio e iodetos [21] [22] [23] [31] [32] ......................... 31 Tabela 17 - Lâmpadas fluorescentes tubulares [22] [23] [31] ........................................... 32 Tabela 18 - Lâmpadas fluorescentes compactas [22] [23] [31] [32] .................................... 33 Tabela 19 - Lâmpadas de sódio de baixa pressão [22] [23] [31] [32] .................................. 33 Tabela 20 - Lâmpadas de indução [23] [33] ............................................................... 34 Tabela 21 - Lâmpadas de LED [22] [23] ..................................................................... 35 Tabela 22 - Classificação geral dos sistemas das instalações de tratamento de ar [36] ............ 41 Tabela 23 - Períodos horários para ciclo diário [46] ...................................................... 51 Tabela 24 - Períodos horários para ciclo seminal [46] .................................................... 52 Tabela 25 - Períodos horários para ciclo seminal opcional [46] ......................................... 52 Tabela 26 - Tarifas transitórias de venda a clientes finais em Portugal continental em 2015 [45] ................................................................................................................ 53 Tabela 27 - Descrição do piso -2.............................................................................. 55 Tabela 28 - Descrição do piso -1.............................................................................. 56 Tabela 29 - Descrição do piso 0 ............................................................................... 57 Tabela 30 - Descrição do piso 1 ............................................................................... 58 Tabela 31 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 60 Tabela 32 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 60 Tabela 33 - Consumo anual de áreas ........................................................................ 61 Tabela 34 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 61 Tabela 35Consumo anual por áreas ........................................................................ 62 xx Tabela 36 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 62 Tabela 37 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 62 Tabela 38 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 63 Tabela 39 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 64 Tabela 40 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 64 Tabela 41 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 64 Tabela 42 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 64 Tabela 43 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 66 Tabela 44 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 66 Tabela 45 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 68 Tabela 46 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 68 Tabela 47 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 69 Tabela 48 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 69 Tabela 49 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 70 Tabela 50 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 71 Tabela 51 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 71 Tabela 52 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 72 Tabela 53 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 72 Tabela 54 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 73 Tabela 55 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 73 Tabela 56 - Consumo anual por áreas ....................................................................... 73 Tabela 57 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 73 Tabela 58 - Características das divisões que necessitam do detetor .................................. 74 Tabela 59 - Características das divisões que necessitam do detetor (continuação) ................ 75 Tabela 60 - Análise da viabilidade económica da solução proposta ................................... 76 Tabela 61 - Características do Chiller da Escola ........................................................... 77 Tabela 62 - Características das eletrobombas presentes na escola .................................... 79 Tabela 63 - Características das UTAs da escola ........................................................... 80 Tabela 64 - Custo do consumo de energia da Escola pela EDP .......................................... 81 Tabela 65 - Custo do consumo de energia da Escola pela IBERDROLA ................................ 82 Tabela 66 - Investimentos e Poupanças das áreas de atuação .......................................... 84 xxi Abreviaturas e Símbolos Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética) AQS Águas Quentes Sanitárias AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado CO2 Dióxido de Carbono DALI Digital Addressable Lighting Interface DGEG Direção Geral de Energia e Geologia EUA Estados Unidos da América GTC Gestão Técnica Centralizada IRC Índice de Restituição Cromática LED Light Emitting Diode OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico PNAEE Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética PNAER Plano Nacional de Ação para as Energias Renováveis UTA Unidade de Tratamento de Ar i.s. Intalação Sanitária QEAC Quadro Elétrico de Ar Condicionado WEO World Energy Outlook Lista de símbolos W watt lm Lúmen K Kelvin h Hora 1 Capítulo 1 - Introdução É de conhecimento de todos que a energia é fundamental para qualquer sociedade e que o seu consumo origina a maior parte da poluição atmosférica, libertando os gases de efeito de estufa, facto que contribui largamente para o aquecimento global e as alterações climáticas. Como também é público, o Conselho Europeu de Bruxelas de 8 e 9 de Março de 2007 adoptou a designada Estratégia 20-20-20 para 2020 para a Energia e Alterações Climáticas, [49] com metas ambiciosas mas credíveis no sentido de alcançar, relativamente aos níveis de 1990, as sucessivas reduções de 20 % do consumo de energia e da emissão gases de efeito de estufa e o aumento de 20 % da energia consumida de fontes renováveis. É nesta visão da Europa próspera, sustentada e que pretende vencer os desafios das alterações climáticas e da globalização, bem como ganhar a liderança mundial no domínio das tecnologias limpas, que se enquadra esta dissertação. 1.1 - Objectivos Esta dissertação tem como caso de estudo a verificação das condições de eficiência energética do edifício escolar da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto, e a avaliação das possíveis medidas de melhoria a implementar. Com a finalidade de otimizar a eficiência energética desta escola, o trabalho realizado engloba os seguintes objetivos: - Levantamento e caracterização dos sistemas de iluminação instalados no edifício escolar da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto; - Através do software Dialux, realizar o estudo dos níveis de iluminação com os sistemas instalados atualmente, para os espaços mais significativos (salas de aulas, salas administrativas, biblioteca, circulações, etc.) e comparar os valores obtidos com os níveis recomendados para esses espaços e com os valores medidos pelo luxímetro; - Levantamento e caracterização dos sistemas de AVAC instalados no edifício escolar da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto; - Verificar se os equipamentos AVAC utilizados são eficientes e se os seus períodos de funcionamento estão ajustados; - Verificação do tarifário de eletricidade utilizado e respetivo horário; - Propor as medidas a serem tomadas, de forma a maximizar a eficiência energética e garantir o conforto e bem estar dos utilizadores. 2 1.2 - Estrutura da Dissertação Este documento está dividido em oito capítulos. No primeiro capítulo, encontram-se os objetivos da dissertação e a estrutura do documento. No segundo capítulo, surge o enquadramento energético atual, a nível mundial e nacional. No terceiro capítulo, é analisada a utilização racional da energia, referindo-se métodos que permitem a otimização da eficiência energética, nomeadamente os processos de gestão de energia, o papel do gestor de energia e os tipos de auditorias em grandes edifícios. No quarto capítulo, aborda-se os sistemas de iluminação e a otimização da eficiência energética destes sistemas. No quinto capítulo, analisam-se os Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado, abordando-se se for o caso, de questões que melhorem a eficiência energética dos equipamentos em questão. No sexto capítulo, faz-se um ponto de situação nos atuais tarifários da venda de eletricidade e sua relação com os ciclos horários. No sétimo capítulo, é analisado o caso de estudo da Escola. Será realizado um estudo do respetivo sistema de iluminação, através do software Dialux. Também será realizada uma análise dos equipamentos de AVAC que mais energia consomem na escola, assim como uma verificação do tarifário de eletricidade utilizado. No oitavo capítulo, são apresentadas as conclusões sobre o trabalho realizado, assim como expostas perspetivas de trabalho futuro. 3 Capítulo 2 - Enquadramento Energético 2.1 - Panorama Energético Mundial A Energia é o motor da sociedade moderna. Por todo o lado encontrámos equipamentos que consomem energia de uma ou mais fontes. No entanto, até este momento, verificámos que a maior parte da energia usada no mundo provém ainda de combustíveis fósseis como o carvão, o gás ou o petróleo. O uso destes combustíveis tem como consequência direta a emissões de gases, sendo o CO2 o gás principal que causa o efeito de estufa e que leva ao aquecimento global do planeta. Os principais países produtores de CO2 estão referenciados na figura 1. As mudanças climáticas sempre existiram, ao longo de milhares de anos, mas, no último século, têm ocorrido com maior frequência e a tendência é que piore catastroficamente. Por isso e aliado à natureza finita destes recursos naturais, é essencial uma mudança e encontrar novas soluções, nomeadamente o uso de energias limpas e a eficiência energética. A utilização das energias renováveis, como o sol, o vento e a água, como fonte de energia para consumo das necessidades energéticas, é uma das formas mais eficientes de reduzir o consumo de energias de combustíveis fósseis [2]. O países que mais utilizam os combustíveis fósseis estão representados na figura 1. Figura 1 - TOP 10 (MtCO₂ - toneladas métricas) [1] 4 2.1.1Evolução Atualmente, existe uma população mundial de 7,3 mil milhões (tabela 1). Sessenta por cento da população vive na ásia (4,4 mil milhões), 16% em África (1,2 mil milhões), 10 % na Europa (738 milhões), 9 % na Améria Latina e Caraíbas (634 milhões) e os restantes 5 % na América do Norte (358 milhões) e na Oceânia (39 milhões). A China (1,4 mil milhões) e a Índia (1,3 mil milhões) continuam a ser os maiores países do mundo, representando 18 % e 19 % da população mundial, respectivamente [3]. Tabela 1 - População do mundo e principais áreas geográficas em 2015, 2030, 2050 e 2100 Área Geográfica População (milhões) 2015 2030 2050 2100 Mundo 7349 8501 9725 11213 África 1186 1679 2478 4387 Ásia 4393 4923 5267 4889 Europa 738 734 707 646 América Latina e Caraíbas 634 721 784 721 América do Norte 358 396 433 500 Oceania 39 47 57 71 Fonte: United Nations, department of Economic and Social Affairs, Population Division (2015) World Population Prospects: The 2015 Revision. New York: United Nations. [3] De acordo com as Nações Unidas, este número poderá alcançar aproximadamente 9,7 mil milhões em 2050. Nos países desenvolvidos, não se observará mudanças significativas, mantendo-se uma população à volta dos 1,3 mil milhões. No entanto, em países em desenvolvimento, projeta-se que estes dupliquem o seu tamanho até 2050 [4]. Prevê-se que o crescimento irá ocorrer em países de grande fertilidade, como África, assim como em países com grandes populações, como a Índia, Indonésia, Paquistão, Filipinas e os Estados Unidos da América (figura 2) [4]. Figura 2 - Distribuição da população mundial em 2040 [4] A população dos países da América do Norte pertencentes à Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE) continuará a aumentar, mantendo a mesma proporção na população global. Dentro de 15 anos, a Índia irá ultrapassar a China como o país mais populoso do mundo, pois o número médio de filhos na Índia será maior. E, de acordo com a Unicef, em 2050, 25 % da população mundial viverá em África, sendo que na Nigéria (o país mais populoso de África), estará representada 10 % da natalidade mundial [3]. 11 De 2006 a março de 2015, verificou-se que a tecnologia com maior crescimento em potência instalada foi a eólica, com um crescimento total de 3,3 GW. Contudo, em termos relativos, a tecnologia que mais cresceu foi a fotovoltaica, que evoluiu de uma potência instalada residual, para 426 MW (figura 12) [10]. O aumento da produção eléctrica a partir de fontes renováveis tem contribuído para a redução das emissões de gases de efeito de estufa, nomeadamente de CO2. Em 2013, foi possível evitar a emissão de 10,6 milhões de toneladas de CO2 e estima-se que se atinja uma redução de 200 milhões toneladas até 2030 [10]. 2.2.2 - Estratégia nacional para a energia Apesar da evolução favorável, Portugal continua a exibir um elevado grau de dependência externa, pelo que o papel da eficiência energética e das FER é essencial. Ao longo dos anos, os sucessivos governos de Portugal têm vindo a estabelecer um conjunto de medidas estratégicas para o setor de energia, de modo a reduzir a dependência energética externa, aumentar a eficiência energética e reduzir as emissões de CO2 [11]. No domínio da eficiência energética, foi definido em 2008 o Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética (PNAEE) e, em 2010, foi apresentado o Plano Nacional de Ação para as Energias Renováveis (PNAER), no domínio das fontes renováveis. Em 2013, ambos foram revisto e pensados em conjunto, estabelecendo-se novos objetivos, de modo a que Portugal possa cumprir os compromissos assumidos de forma economicamente mais racional [11]. Figura 13 - Metas a atingir em 2020 [11] Com estes novos planos, em termos de eficiência energética, Portugal tem como meta geral a redução no consumo de energia primária em 25 % e a meta de redução de 30 % na Administração Pública (figura 13). Relativamente à utilização de energia proveniente de fontes endógenas renováveis, Portugal tem para atingir uma meta de 31 % no consumo final bruto de energia e de 10 % no setor dos transportes, até 2020. Estas metas vão além dos objetivos da União Europeia para 2020, o que demonstra o compromisso de Portugal no combate às alterações climáticas [11]. 12 No que respeita à Eficiência Energética, o PNAEE 2016 prevê uma poupança induzida de 8,2 %, próxima da meta indicativa definida pela União Europeia de 9 % de poupança de energia até 2016. Os contributos na redução dos consumos energéticos estão distribuídos pelos vários sectores de atividade. Depois dos resultados do PNAEE 2008, o atual Plano passa a abranger seis áreas específicas: Transportes, Residencial e Serviços, Indústria, Estado, Comportamentos e Agricultura, que agregam um total de dez programas, com um leque de medidas de melhoria da eficiência energética, orientadas para a procura energética e que, de uma forma quantificável e monitorizável, visam alcançar os objectivos propostos [12]. No que respeita o PNAER 2020, o plano prevê uma redução de 18 % na capacidade instalada em tecnologias baseadas em fontes renováveis (FER) face a 2010, com a quota de eletricidade de base renovável no novo PNAER a ser superior (60 % vs. 55 %), tal como a meta global a alcançar, que deverá situar-se em 35 % (face à meta de 31 %) e no caso dos transportes 11,3 % [13]. 13 Capítulo 3 - Utilização Racional da Energia 3.1 - Gestão de Energia A gestão energética que conduza a um desenvolvimento sustentável constitui uma condição fundamental para o futuro de qualquer sociedade moderna. Produzir mais gastando menos recursos e energia é uma exigência incontornável num mundo cada vez mais competitivo. Para se alcançar estas exigências, é fundamental que se consiga exercer uma boa gestão energética nas instalações existentes das organizações publicas e empresariais e as medidas a implementar e que estão implícitas nessa gestão deverão passar pela existência obrigatória de um gestor de energia, pela realização periódica de auditorias energéticas e obviamente pela utilização racional de energia por parte de todos os utilizadores. 3.1.1 - Gestor de Energia As questões relacionadas com a energia são complexas e envolvem diversas variáveis muito específicas, pelo que é essencial a nomeação para gestor de energia um técnico com essa especialidade e com competências e experiência comprovada nessa área. Com efeito, é fundamental que o Gestor de Energia conheça tecnologias e ações que conduzam à diminuição do consumo de energia e deve ser capaz de levar a cabo um estudo sob os pontos de vista técnico, energético e financeiro de todos os edifícios e instalações pertencentes à organização, de forma a ser possível a promoção da utilização racional da energia [14] [15]. A elaboração e implementação de um sistema de gestão de energia, é pois fundamental, de forma a identificar a origem e forma do consumo da energia, bem como os seus respetivos custos. Todas estas informações permitem então elaborar um plano de ação com metas e objetivos bem claros, bem como todos os recursos necessários para o executar. Neste plano de ação deverá pois estar contemplado, a analise da fatura energética em função das necessidades e interesses da instalação consumidora, a realização de auditorias a consumo energético, ao estado dos equipamentos, o acompanhamento das ações de manutenção e a promoção de uma cultura de poupança de energia [14] [15]. 3.1.2 - Processo de Gestão de Energia O Gestor de Energia tem um papel crucial na tomada de decisões que conduzam ao um melhor aproveitamento da energia na organização. Em função das características, dimensão e complexidade da mesma, este deve optar pelo método e nível de execução mais adequado, de entre os diferentes métodos de gestão existentes e aplicáveis em cada caso [15]. O gestor de energia deve estar ciente de que o método escolhido deverá obedecer a determinados requisitos e atingir objetivos e metas precisas, dentro da organização, a nível global e por sector produtivo, de que se destacam a análise da situação existente para 14 determinar a ação e fixar as prioridades, a medição e valorização da energia consumida, o cálculo do valor da energia transformada e do peso da energia no preço dos produtos fabricados e a avaliação e o acompanhamento da rentabilidade dos investimentos em termos de eficiência energética [15]. A partir da informação recebida pela auditoria energética, o método de gestão a implementar deverá ser igualmente capaz de desenvolver um conjunto de ações de monitorização permanente [15]. 3.1.3 - Auditorias Energéticas No âmbito de gestão de energia, as auditorias energéticas correspondem a estudos que variam desde vistorias de instalações com o objectivo de identificar possíveis problemas de eficiência energética até análises detalhadas de medidas alternativas de eficiência energética suficientes para satisfazer critérios financeiros mais ou menos exigentes. Estes estudos de auditoria devem ser capazes, no mínimo, de atingir um conjunto de objetivos, donde se destacam a determinação das formas de energia utilizadas, a analise detalhada da fatura energética, recomendações nas áreas energéticas e de redução de custos com a eletricidade e/ou outros combustíveis, a determinação do custo estimado das medidas de eficiência energética recomendadas, a previsão da poupança anual de energia, dos custos a evitar e dos tempos de recuperação de investimento, a previsão das reduções de emissões de CO2 conseguidas pela implementação das medidas e a recomendação de futuras análises a realizar. No final deverá ser elaborado um relatório completo sobre o estado das instalações, processos ou equipamentos, assim como recomendações de medidas de intervenção e a sua viabilidade [15]. A metodologia a seguir numa auditoria energética poderá cumprir quatro etapas, a saber: a preparação da auditoria, a intervenção no local da instalação a auditar, o tratamento da informação recolhida nas duas primeiras fases e, por fim, a elaboração do relatório da auditoria energética [15]. 15 3.2 - Medidas para a melhoria da Eficiência Energética 3.2.1 - Iluminação A iluminação representa um dos maiores consumos finais de eletricidade e uma das mais importantes causas de emissões de CO2 relacionadas com o uso da energia. Na Europa, a factura de eletricidade de uma habitação devida à iluminação pode chegar a 20 % e, no sector dos serviços, até 60 % do total da fatura. Em Portugal, esses valores são, em termos médios, respetivamente, 12 % e 20 %. Nestes dois setores, existe claramente um elevado potencial de economia de energia que deve ser explorada [16]. Neste sentido, a publicação da EN 12464-1 sobre a iluminação interior veio estabelecer os níveis de iluminância recomendáveis nos locais de trabalho, sendo os equipamentos e tecnologias atualmente instalados tendo em conta essa norma. No entanto, para que as condições de iluminação sejam otimizadas, é necessário ainda ter em conta vários objetivos, nomeadamente privilegiar a iluminação natural, dimensionar corretamente os níveis de iluminação necessários para os diferentes postos de trabalho, escolher o tipo de iluminação mais adequada em função do local e das tarefas a executar, utilizar sempre equipamentos de rendimento elevado, sistemas de controlo e comando automático nas instalações de iluminação, realizar operações de limpeza regulares e manutenção das instalações e definir corretamente os períodos de substituição das lâmpadas. O acréscimo de investimento inicial devido à substituição dos equipamentos descritos é normalmente recuperado em tempo aceitável através das economias de energia que proporcionam [18]. 3.2.2 - Sistemas de Aquecimento, Ventilação e de Ar Condicionado 30 a 40 % do consumo elétrico dos edifícios de comércios e serviços é normalmente devido aos sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC), sendo, portanto, responsáveis por um elevado peso nos custos energéticos das empresas. O nível de consumo dos sistemas de AVAC depende essencialmente de 4 fatores, a saber: características do edifício (orientação isolamento), nível das condições do ar interior necessárias, calor gerado internamente, (pessoas, iluminação e equipamentos) e, por último, desenho, eficiência, operação e manutenção do sistema de AVAC [19]. Neste sentido, a otimização de sistemas de AVAC nos edifícios existentes deverá garantir a satisfação das condições do ar interior necessárias ao menor custo e poderá exigir a substituição dos equipamentos existentes por outros mais eficientes, a otimização da utilização do sistema, através da regulação do seu funcionamento e a manutenção periódica do sistema [19]. 16 3.2.3 - Envolvente do Edifício A envolvente do edifício reveste-se da maior importância uma vez que a sua eventual renovação e reabilitação podem permitir economias de energia que poderão atingir os 30%, devido à diminuição dos consumos da energia térmica e elétrica. A melhoria da eficiência energética nesta área pode ser melhorada através da implementação de várias medidas, de que se destaca a escolha adequada de caixilharias e envidraçados, (controlo das perdas e ganhos de calor dos envidraçados), a instalação de sombreamentos adequados (controlo dos ganhos de calor nos vãos envidraçados), a melhoria do isolamento térmico de paredes, coberturas e pavimentos, (controlo dos ganhos das superfícies opacas), a redução da infiltração de ar através da envolvente (aperfeiçoamento das caixilharias das portas, janelas, fissuras nas paredes da envolvente), o controlo das aberturas (adequar a ventilação e a redução das perdas para aquecimento/arrefecimento) e a utilização de vegetação (sombreamento das superfícies no verão e redução da temperatura do ar em volta do edifício) [14]. 3.2.4 - Gestão Técnica Centralizada Face ao exposto neste capítulo, torna-se evidente que a eficiência energética de um edifício não exige apenas equipamentos eficientes, sendo igualmente importante a gestão dos consumos de energia. Os sistemas de Gestão Técnica Centralizada (GTC) existem exatamente para assegurar uma gestão adequada da climatização, das águas quentes sanitárias (AQS), dos contadores de energia, da iluminação, da segurança, entre outros, gerando poupanças no consumo até 24 %. Deste modo, os GTC devem ser considerados como um elemento essencial na estratégia de eficiência energética de um edifício [17]. Este sistema é constituído por vários componentes, nomeadamente computador do tipo workstation com software próprio, impressora para alarmes e relatórios, router, controladores devidamente ligados numa rede de comunicações e periféricos, um posto de supervisão com capacidade suficiente para a manipulação da informação requerida, de modo que permita ao utilizador do Sistema de GTC local ou remotamente através da Internet, o acesso ao controlo, monitorização e gestão de energia de todos os componentes do edifício ligados aos controladores da rede local [17]. 17 Capítulo 4 - Iluminação A iluminação é fundamental para a vida moderna, condiciona a nossa qualidade de vida, condiciona a produtividade e a eficiência. Iluminar um local implica, deste modo, fornecer a um espaço ou superfície uma determinada quantidade de fluxo luminoso de forma a criar condições para que as atividades sejam desenvolvidas de forma mais eficiente e confortável. Neste ponto de vista, realizar uma iluminação adequada a uma atividade implica compreender os conceitos inerentes à iluminação [20]. A luminotécnica é o estudo minucioso das técnicas das fontes de iluminação artificial, através da energia elétrica. Portanto, sempre que realizamos um estudo das lâmpadas de um determinado ambiente, estamos a realizar um estudo luminotécnico [21]. Uma fonte de radiação emite ondas eletromagnéticas que possuem diferentes comprimentos de onda. O olho humano é sensível a somente alguns (entre 380nm a 780nm). Assim, a Luz é a radiação eletromagnética capaz de produzir uma sensação visual. A sensibilidade visual para a luz varia não só de acordo com o comprimento de onda da radiação, mas também com a luminosidade. A curva de sensibilidade do olho humano demonstra que radiações de menor comprimento de onda (violeta e azul) geram maior intensidade de sensação luminosa quando há pouca luz, enquanto as radiações de maior comprimento de onda (laranja e vermelho) se comportam ao contrário [21]. Neste capítulo faz-se uma análise de conceitos importantes dentro da luminotécnica, como as principais grandezas envolvidas, os principais tipos de luminárias e lâmpadas existentes no mercado e a problemática da gestão da iluminação. 18 4.1. - Grandezas Luminotécnicas 4.1.1 - Fluxo luminoso Tabela 2 - Fluxo Luminoso [23] Definição Luz emitida ou observada por segundo Símbolos F ou φ Unidades lm (lúmen) Observações Quantidade de luz: Q = F.t (lm.s ou lm.h ou klm.h) Esta grandeza (ver tabela 2) pode ser considerada como a potência de radiação total emitida por uma fonte de luz em todas as direções do espaço e capaz de produzir uma sensação de luminosidade através do estímulo da retina ocular [21]. Os fabricantes indicam, para cada tipo de lâmpada, o fluxo luminoso emitido, sendo esta uma das suas principais características [22]. 4.1.2 - Intensidade luminosa Tabela 3 - Intensidade Luminosa [23] Definição Fluxo luminoso compreendido na unidade de ângulo sólido no qual é emitido, pressupondo-se que a fonte luminosa é pontual. Símbolos I Unidades Candela (cd) Observações A definição desta grandeza encontra-se na tabela 3. Se a fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as direções, o Fluxo Luminoso distribuir-se-ia na forma de uma 19 esfera. Tal facto, porém, é quase impossível de acontecer, razão pela qual é necessário medir o valor dos lúmens emitidos em cada direção. Essa direção é representada por vetores, cujo comprimento indica a Intensidade Luminosa [21]. Considerando a fonte de luz reduzida a um ponto no centro de um diagrama e que todos os vetores que dela se originam tiverem as suas extremidades ligadas por um traço, obtém-se a Curva de Distribuição Luminosa (CDL). A curva CDL geralmente é encontrada nos catálogos dos fabricantes de lâmpadas e iluminarias [21]. 4.1.3 - Iluminação ou Iluminância Tabela 4 - Iluminação ou iluminância [23] Definição Fluxo luminoso recebido por unidade de área iluminada Símbolos E Unidades lx (lux) Observações (um lux é a iluminância produzida por um fluxo de 1 lm, distribuído de forma uniforme por uma área de 1 m2) Unidade inglesa: footcandle (fc); 1 fc = 1lm/ft2 = 10.764 lux A iluminância (ver tabela 4) é a unidade básica da luminotecnia, a qual fazem referência todas as recomendações e tabelas relativas ao nível de iluminação recomendado, que deve ser assegurado nas diversas aplicações [23]. Em termos práticos, a iluminância é a quantidade de luz dentro de um ambiente. O melhor conceito de iluminância talvez seja “densidade de luz necessária para realização de uma determinada tarefa visual”. Isto permite supor que existe um valor ótimo de luz para quantificar um projeto de iluminação. Esses valores relativos a iluminância estão tabelados por atividade [21]. A iluminação artificial necessária varia entre 5 a 30 lux, para a iluminação pública e até centenas ou milhares de lux para a iluminação interior, em função das tarefas visuais que é necessário realizar em cada local [23]. A medida de iluminância realiza-se través do uso de um aparelho especial designado por luxímetro. O valor da iluminância varia em função do ponto onde se realiza a medição. Assim, para medir o nível de iluminância, calcula-se o valor médio entre as várias medições realizadas. A iluminância tem uma grande importância para o projeto luminotécnico, pois a caracterização das necessidades de iluminação dos locais, é feita com base em valores recomendados de iluminância, para os mesmos, conforme a sua função/utilização [22]. Os valores de iluminância média recomendados para os locais de trabalho interiores estão definidos na norma europeia EN-12464 “Light e Lighting-Lighting of Indoor Workplaces”) [24]. 20 4.1.4 - Luminância Tabela 5 – Luminância [23] Definição Cociente entre a intensidade (I) emitida por uma fonte luminosa ou por uma superfície refletora e a sua área aparente (Sa) Símbolos L Unidades Cd/m2 Observações A área aparente é a área projetada num plano perpendicular à direção de propagação. A luminância (ver tabela 5), é uma unidade fundamental para a visão, dado que é a luminância dos objetos que nos dá a sensação visual [21]. A luminância é uma excitação visual, provocada pela diferença entre zonas claras e escuras, o que permite a percepção da imagem. As partes sombreadas são aquelas que apresentam a menor luminância em oposição às outras mais iluminadas. A Luminância liga-se pois aos contrastes e depende tanto do nível de iluminação ou iluminância, como também das características de reflexão das superfícies. Quando a luz de uma fonte ou de uma superfície que reflete a luz, atinge os olhos com elevada luminância, então ocorre o encandeamento [21]. Enquanto a iluminância indica a quantidade de fluxo luminoso que incide sobre a superfície receptora, a luminância descreve o brilho ou sensação de claridade produzida por uma superfície produtora/refletora. Ou seja, a luminância e a quantidade de luz dirigida para os olhos, através da envolvente (fontes de luz, paredes, chão, tecto, mobílias, etc.), sendo a única grandeza fotométrica que o olho humano interpreta [25]. As luminâncias preferenciais num ambiente de trabalho podem variar entre as pessoas, principalmente no desenvolvimento de tarefas diferentes [21]. Em relação a esta grandeza, as fontes luminosas designam-se por fontes primárias e os corpos iluminados por fontes secundárias. A medida de luminância realiza-se por meio de um aparelho especial designado por luminâncimetro e baseia-se num sistema ótico de direção e outro de medição [23]. 27 Embora o custo seja inferior, as lâmpadas incandescentes, ao contrário das a vapor de sódio, são as menos eficientes para converter energia elétrica em luz. As outras fontes apresentam eficiência situadas entre os extremos definidos por esses dois tipos de lâmpadas. Como já foi referido anteriormente, uma das características que devem influenciar na escolha da lâmpada é a chamada eficiência luminosa, ou seja, a capacidade de uma fonte de luz em converter energia elétrica em luminosidade. Quanto maior for essa relação, mais eficiente será a lâmpada, o que se pode ver na tabela 10 [34]: Tabela 10 - Rendimento luminoso médio das fontes de luz em Lm/W [31] Tipos de lâmpadas Incandescente 17 Halógena 22 Luz mista 28 Vapor de mercúrio 58 Fluorescente 68 Vapor metálico 85 Sódio a alta pressão 130 Sódio a baixa pressão 183 4.3.2.1 - Lâmpadas Incandescestes a) Lâmpadas de Filamento num gás inerte Neste tipo de lâmpadas (tabela 11), a luz é produzida por um filamento de tungstênio aquecido pela passagem de corrente elétrica alternada ou contínua (efeito joule) e apenas uma pequena parte da energia irradiada é libertada sob a forma de luz [19]. As lâmpadas incandescentes de filamento num gás inerte têm cada vez menos utilização na UE, apresentam baixa eficiência luminosa, vida útil curta, embora tenham uma muito boa restituição de cores. O uso desse tipo de lâmpada deve ser evitado em nível industrial e público, com exceção de aplicações para as quais seja recomendado por motivos técnicos [23]. Tabela 11 - Lâmpadas incandescentes de filamento [22] [23] [31] Exemplo de lâmpada incandescente 28 b) Lâmpadas de Ciclo de Halogéneo No que respeita às lâmpadas de ciclo de halogéneo (tabela 12), deve ser salientado o facto de apresentam um rendimento superior às anteriores, uma luz mais branca, brilhante e uniforme, uma maior vida útil e uma restituição de cores muito boa [21]. Estas têm o mesmo princípio de funcionamento das lâmpadas incandescentes convencionais e foram aperfeiçoadas com a introdução de gases halogénicos (flúor, iodo ou bromo) que, dentro do bulbo se combinam com as partículas de tungstênio desprendidas do filamento. Esta combinação, somada à corrente térmica dentro da lâmpada, faz com que as partículas se depositem de novo no filamento, criando o ciclo regenerativo do halogênio [21] [23]. Tabela 12 - Lâmpadas de ciclo de halogéneo [22] [23] [31] Exemplo de lâmpada de halogéneo Características Observações Casquilho Edison, baioneta, Eficiência luminosa 15 lm/W a 25 lm/W Maior que a anterior mas ainda baixa Temperatura de cor 3000º K Luz mais branca; Ponto forte Reprodução da cor (Ra) 100 % Ponto forte Vida útil 2000 a 4000 horas Maior que a anterior Classe energética C / D Intermédia 4.3.2.2 - Lâmpadas de descarga Neste tipo de lâmpadas, a luz é produzida pela radiação emitida pela descarga elétrica através de uma mistura gasosa composta de gases inertes e vapores metálicos que se encontra num tubo de descarga. Nas extremidades deste tubo existem elétrodos que formam a interface entre a descarga e o circuito elétrico de alimentação [21]. Como na lâmpada de descarga o composto metálico responsável pela emissão de radiação encontra-se em estado sólido ou líquido à temperatura ambiente e o gás inerte no interior do tubo é isolante, torna-se necessário um processo de ignição para o rompimento da rigidez dielétrica da coluna gasosa. O calor gerado pela descarga através do gás inerte nos instantes iniciais após a partida da lâmpada vaporiza o composto metálico. Estas lâmpadas exigem pois equipamentos auxiliares como arrancadores e balastros [21]. A energia transferida aos átomos pelas colisões elásticas, excita os eletrões para órbitas mais elevadas e a transição para um estado de menor energia é acompanhada da emissão de radiação [21]. Estas lâmpadas podem ser classificadas pela pressão no interior do tubo e divididas em lâmpadas de descarga de baixa pressão e lâmpadas de descarga de alta pressão [21]. 29 4.3.2.2.1 - Lâmpadas de alta pressão a) Lâmpadas de luz mista As lâmpadas de luz mista (tabela 13), combinam uma lâmpada de vapor de mercúrio com uma lâmpada incandescente, ou seja, um tubo de descarga de mercúrio ligado em série com um filamento incandescente. O filamento controla a corrente no tubo de arco e contribui com a produção de 20 % do total do fluxo luminoso produzido. A combinação da radiação do mercúrio com a radiação do fósforo e a radiação do filamento incandescente, produz uma agradável luz branca difusa, com uma aparência de cor agradável [21]. As principais características da luz mista são: substituir diretamente as lâmpadas incandescentes em 220 V, não necessitando de equipamentos auxiliares (reator, ignitor e starter) e na escala de eficiência luminosa, estão um degrau acima das lâmpadas incandescentes. No entanto, devido a sua baixa eficiência energética, o seu custo de utilização é elevado quando comparado com o custo das fluorescentes, com as de vapor de mercúrio ou com outras lâmpadas de descarga [21] [31]. Tabela 13 - Lâmpadas de luz mista [21] [22] [23] [31] b) Lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão Este tipo de lâmpada (tabela 14), é constituída de um tubo de descarga transparente, de dimensões reduzidas inserido em um bulbo de vidro, revestido internamente com uma camada de "fósforo" para correção do índice de reprodução de cor. O tubo de descarga contém vapor de mercúrio e árgon a alta pressão. O tubo de descarga é de quartzo para suportar temperaturas superiores a 340°C e evitar absorção da radiação ultravioleta emitida pela descarga. A descarga de mercúrio no tubo de arco produz uma energia visível na região do azul e do ultravioleta. O fósforo, que reveste o bulbo, converte o ultravioleta em luz visível na região do vermelho [21] [23]. Exemplo de lâmpada de luz mista Características Observações Casquilho Edison Eficiência luminosa 20 a 28 lm/W Ponto fraco Temperatura de cor 2700 a 5000ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 50 a 60 % Variável Vida útil 2000 h Ponto forte Classe energética B a C Variável 30 Características como a vida mais longa e maior eficiência em relação às lâmpadas incandescentes e de luz mista fizeram com que as lâmpadas a vapor de mercúrio se tornassem uma opção a considerar para iluminação interna e externa. No entanto, a sua eficiência luminosa deixa ainda muito a desejar. A resposta visual às cores é satisfatória, porém inferior à das lâmpadas incandescentes e fluorescentes [31]. Estas lâmpadas têm vindo a ser substituídas pelas lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão devido à presença de mercúrio e pelo seu fraco rendimento. Este tipo de lâmpada é utilizado em sistemas de iluminação de exteriores, em especial na iluminação pública urbana [21] [22]. Tabela 14 - Lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão [21] [22] [23] [31] [32] c) Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão (tabela 15), é constituída de um tubo de descarga com um elétrodo em cada extremidade. O tubo de descarga é sustentado por uma estrutura mecânica, sob vácuo, no interior de um bulbo de vidro. Em lâmpadas convencionais, o tubo de descarga contém vapor de sódio, vapor de mercúrio e xénon, que atua como gás de partida, gerando calor para vaporizar o mercúrio e o sódio. O elétrodo é construtivamente similar ao da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão. A lâmpada de vapor de sódio convencional apresenta, em geral, um relativamente baixo índice de reprodução de cor, porém, uma elevada eficácia luminosa e vida útil longa. No entanto, existem lâmpadas especiais que apresentam um elevado índice de reprodução de cor (CRI = 85), porém, com uma eficácia luminosa de 80 lm/W [21]. Outro fator importante é que o fluxo luminoso emitido permanente praticamente constante durante toda sua vida [31]. Estas características fazem com que estas lâmpadas sejam usadas na iluminação pública e industrial, substituindo as de mercúrio de alta pressão [23]. Exemplo de lâmpadas de mercúrio de alta pressão Características Observações Casquilho Edison Eficiência luminosa 36 a 60 lm/W Ponto fraco Temperatura de cor 3800 a 4100ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 40 a 60 Pouco expressivo Vida útil 10 a 12 mil horas Ponto forte Classe energética B Satisfatória 31 Tabela 15 - Lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão [21] [22] [23] [31] Exemplo de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão Características Observações Casquilho Edison Eficiência luminosa 66 a 130 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 1900 a 2500ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 30 a 85% Variável Vida útil 12 a 24 mil horas Ponto forte Classe energética A Ponto forte d) Lâmpadas de vapor de mercúrio de iodetos Estas lâmpadas foram desenvolvidas para resolver o problema das lâmpadas de vapor de sódio no que respeita às situações que exigem um elevado índice de restituição de cores. Assim, introduziu-se no tubo de descarga uma mistura de iodetos de sódio, índio e tálio, para além de mercúrio. O resultado é uma fonte de luz com uma razoável capacidade de restituição de cores. Para complemento, podem ainda introduzir-se o disprósio, o que possibilita a obtenção de lâmpadas de elevado rendimento e excelentes propriedades de restituição de cores. Por outro lado, a nível molecular, é possível a introdução, numa lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão, de uma mistura de cloreto e iodeto de estanho, o que permite produzir uma lâmpada com a capacidade ideal de restituição de cores e um rendimento luminoso elevado. Estas lâmpadas podem ser utilizadas em todas as circunstâncias, mesmo interiores. No entanto, o custo elevado, limita a sua utilização [30]. Tabela 16 - Lâmpadas vapor de mercúrio e iodetos [21] [22] [23] [31] [32] Exemplo de lâmpadas de vapor de mercúrio e iodetos Características Observações Casquilho Edison Eficiência luminosa 65 a 120 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 3000 a 7000ºK Ponto forte Reprodução da cor (Ra) 70 a 95% Ponto forte Vida útil 3000 a 9000 h Ponto forte Classe energética A+ a A Ponto forte 32 4.3.2.2.2 - Lâmpadas de baixa pressão a) Lâmpadas fluorescentes Apresentam maior eficiência e maior expectativa de vida do que as incandescentes. Essas lâmpadas exigem reator para o seu funcionamento, que deve ser de boa qualidade e de alta eficiência, pois contribui para a obtenção de fluxo luminoso e vida útil compatíveis com seus valores nominais de fabricação [31]. a1) Lâmpadas Fluorescentes Normais (lineares ou tubulares) Estas lâmpadas são lâmpadas de descarga em vapor de mercúrio de baixa pressão (tabela 17). A passagem da corrente eléctrica através do vapor de mercúrio, origina a emissão de radiação ultravioleta (radiação UV), a qual é convertida em luz visível pela camada de fósforo que reveste a parte interna do tubo exterior da lâmpada (tubo que envolve aquele onde se dá a descarga). As características colorimétricas (temperatura de cor, reprodução de cores) e a eficácia da lâmpada fluorescente são determinadas pela composição e espessura do pó fluorescente [21]. As lâmpadas fluorescentes atuais possuem um tubo de descarga com 26 mm de diâmetro (tipo T8), são tri-fosfóricas e têm apenas 3 mg de mercúrio. As lâmpadas fluorescentes de última geração apresentam um tubo de descarga com 16 mm de diâmetro (tipo T5) e possuem um novo pó tri-fosforo. Os benefícios associados a estas caraterísticas são a grande redução do tamanho das armaduras, um melhor controlo do feixe luminoso, um aumento do rendimento luminoso e uma melhor restituição de cores [23]. As suas características, nomeadamente a elevada eficácia luminosa e grande longevidade, fazem com que estas lâmpadas sejam muito usadas em espaços comerciais, edifícios públicos (como escolas), instalações industriais e mesmo instalações domésticas (cozinhas) [22]. Tabela 17 - Lâmpadas fluorescentes tubulares [22] [23] [31] Exemplo de lâmpadas fluorescentes T8 e T5 Características Observações Casquilho G5 e G13 Eficiência luminosa 58 a104 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 2700 a 5000ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 63 a 98% Variável Vida útil 7500 a 12000 h Ponto forte Classe energética A++ a B Ponto forte 33 a2) Lâmpadas Fluorescentes Compactas Outro tipo que está sendo introduzido é a lâmpada fluorescente compacta (tabela 18), de potência reduzida, destinada, principalmente, à substituição de lâmpadas incandescentes [31]. Estas lâmpadas são consideradas lâmpadas de baixo consumo e de baixa emissão térmica. O seu principio de funcionamento é semelhante às fluorescentes tubulares mas têm um ou mais tubos de descarga em forma de U, o que as torna mais compactas [22]. Tabela 18 - Lâmpadas fluorescentes compactas [22] [23] [31] [32] b) Lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão. Tabela 19 - Lâmpadas de sódio de baixa pressão [22] [23] [31] [32] As lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão (tabela 19), são comparáveis na constituição e funcionamento às lâmpadas fluorescentes. No entanto, existem algumas diferenças, donde se destaca o uso de vapor de sódio em vez do vapor de mercúrio. Esta troca leva a que seja mais difícil e demorado o arranque, uma vez que o sódio à temperatura ambiente é sólido. Esta dificuldade é ultrapassada com a ajuda de um gás inerte e uma tensão de arranque elevada. Para conseguir as condições de temperatura elevada exigidas no arranque, existe um invólucro de vidro dentro da ampola que reflete a radiação infravermelha [32]. As lâmpadas de vapor de sódio produzem luz visível diretamente, sem necessidade de qualquer transformação. Possuem um rendimento luminoso muito elevado e uma duração de vida muito longa, pelo que constituem a fonte de luz mais eficiente e económica [32]. Exemplo de lâmpadas fluorescentes compactas Características Observações Casquilho Edison /Tipo G Eficiência luminosa 44 a 79 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 2700 a 5400ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 82% Vida útil 7500 a 10000 h Ponto forte Classe energética A++ a B Ponto forte Exemplo de lâmpadas de sódio de baixa pressão Características Observações Casquilho Edison /Tipo G Eficiência luminosa 100 a 200 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 1800ºK Limitada Reprodução da cor (Ra) Quase nula Ponto fraco Vida útil 12000 a 16000 h Ponto forte Classe energética A++ a A+ Ponto forte 34 A desvantagem destas lâmpadas centra-se na sua restituição de cores que é muito pobre, o que praticamente impede o seu uso em interiores e no exterior têm vindo a ser substituídas pelas lâmpadas de sódio de alta pressão [21] [32]. 4.3.2.3 - Lâmpadas de Indução As lâmpadas de indução (tabela 20), não têm elétrodos e a luz é obtida através de uma descarga de gás gerada por magnetismo. Os transformadores eletromagnéticos, constituídos por anéis com bobinas de metal, criam um campo eletromagnético em torno de um tubo de vidro que contém o gás. A descarga, induzida pelas bobinas, forma um circuito fechado, provocando a aceleração de eletrões livres. À medida que os eletrões excitados mudam para um nível energético inferior e estável, emitem radiação ultravioleta. Esta radiação é convertida em luz visível à medida que passa pelo revestimento de fósforo sobre a superfície do tubo, semelhante ao processo de geração da luz nas lâmpadas fluorescentes [33]. Relativamente às vantagens da lâmpada de indução podem ser referidas a longa vida sem manutenção, a alta eficácia luminosa, a alta reprodução de cor e as opções de temperatura de cor (2.700 K 6.500 K). No que respeita às desvantagens, podem-se apontar o custo elevado do equipamento, sobretudo do reator, a forma e a dimensão geralmente não compacta das lâmpadas, a utilização de mercúrio na lâmpada e não é indicada para áreas muito quentes [33]. As lâmpadas de indução podem ser boas opções para aplicações cuja manutenção é bastante complicada e cara, como áreas industriais de pés-direito muito elevado e iluminação pública de vias e túneis [33]. Tabela 20 - Lâmpadas de indução [23] [33] 4.3.2.4. Lâmpadas LED Na tabela 21 estão representadas as lâmpadas LED (díodo emissor de luz). Estas são fontes de luz com uma pequena área onde normalmente existe uma lente e são constituídas basicamente por um díodo que emite luz através de luminescência. A luz emitida depende da composição do material semiconductor utilizado e a combinação de LEDs azuis, verdes e vermelhos permite a produção de luz branca, embora já exista um LED branco, cujo principio de funcionamento é semelhante ao das lâmpadas fluorescentes, pois quando existe fósforo Exemplo de lâmpadas de indução Características Observações Eficiência luminosa 75 a 85 lm/W Ponto forte Temperatura de cor 2700 a 6500ºK Variável Reprodução da cor (Ra) >80% Ponto forte Vida útil 50000 a 100000 h Ponto forte Aparelhos auxiliares Gerador de alta frequência 35 depositado no material semicondutor de um LED ultravioleta, a conversão é realizada para luz branca [22] [23]. Estas lâmpadas possuem rendimento luminoso muito bom e podem emitir luz de variadas cores, apresentam uma longa duração de vida e existem diferentes soluções de configuração, o que permite substituir outros tipos de lâmpadas pouco eficientes, sem necessidade de alterar as luminárias ou utilizar aparelhos auxiliares [22] [23]. Tabela 21 - Lâmpadas de LED [22] [23] Exemplo de lâmpadas LED Características Observações Casquilho Edison /Tipo G/GU Eficiência luminosa 60 a 130lm/W Ponto forte Temperatura de cor 2700 a 4000ºK Variável Reprodução da cor (Ra) 80 a 85 Ponto forte Vida útil 35000 a 100000 h Ponto forte Classe energética A++ a A Ponto forte 36 4.4 - Balastros electrónicos Os balastros são equipamentos auxiliares elétricos que permitem limitar o valor da corrente e adequar as tensões, sendo necessários para o arranque e estabilização das lâmpadas de descarga [23]. Figura 18 - Balastro electrónico Podemos então definir três importantes funções que um balastro tem que cumprir, nomeadamente pré-aquecer os elétrodos para provocar a emissão dos eletrões, produzir a tensão de arranque que permita dar início à descarga e limitar de forma adequada o valor da corrente de funcionamento [23]. Existem dois tipos de balastros, eletromagnéticos e electrónicos. A tendência nos últimos anos tem sido da progressiva eliminação dos primeiros através de diretivas europeias, devido ao facto dos balastros electrónicos (figura 18) oferecerem várias vantagens face aos balastros magnéticos, de entre as quais podemos destacar o aumento do rendimento luminoso das lâmpadas, a poupança de energia entre 20 % e 30 %, a ausência de cintilação durante o funcionamento, devido à alta frequência da operação (aproximadamente 30 kHz), o fluxo constante, independentemente da tensão de alimentação, o aumento do tempo de vida útil das lâmpadas (em cerca de 50 %), a temperatura de funcionamento mais baixa e o factor de potência mais elevado (superior a 0,95), evitando o uso de condensadores [22]. 43 O arrefecimento do ar é conseguido através da remoção de calor, usando a refrigeranção ou o ciclo de compressão de vapor (também conhecido como ciclo inversoRankine), que consiste na compressão, condensação, expansão e evaporação (figura 24) [40]. Um fluido refrigerante, inicialmente em forma de vapor é comprimido num compressor onde ocorre a redução do seu volume e o aumento da sua temperatura. Em seguida, é bombeado para uma unidade de condensação, onde esse fluido é arrefecido e condensado num líquido. Este líquido é então bombeado para a unidade de evaporação, onde passa através de serpentinas. O ar quente do edifício, em contacto com as serpentinas do evaporador, perde calor, calor esse que é adicionado ao fluido refrigerante. O calor adicionado transforma o fluido em vapor, que é enviado novamente para o compressor, completando o ciclo. O ar arrefecido, por sua vez, é recirculado de volta para o edifício [40]. Caldeira Uma caldeira é um recipiente que tem acoplado um queimador, onde o combustível é queimado. Os tipos de combustíveis utilizados em caldeiras de uso doméstico são gás natural, lascas de madeira ou óleo. Este combustível é utilizado para alimentar a caldeira e criar o vapor necessário para o aquecimento da água. Esta água quente percorre toda a rede de tubagem até chegar aos diversos elementos emissores de calor - radiadores - que compõem o sistema. As caldeiras são projetadas de forma a transferir o calor para o sistema de aquecimento central e podem igualmente fornecer água quente sanitária instantânea. Bombas elétricas A bomba de calor extrai energia térmica do ambiente, tendo como fonte o ar exterior. Entre os dois meios, o calor é movido por intermédio de um fluido frigoregéneo. O sistema possui dois permutadores de calor, um para absorver o calor e outro para libertar o calor. A bomba extrai energia a uma certa temperatura, eleva essa temperatura e liberta-a num meio que geralmente é a água. Esta irá para os radiadores de baixa temperatura ou unidades ventilo-convetoras. Unidades de Tratamento de Ar Uma Unidade de Tratamento de Ar (UTA) é uma unidade que trata o ar que irá ser fornecido ao edifício através da rede de condutas de ventilação, que tanto distribuem o ar condicionado como retornam o ar de extração. Este tratamento do ar é feito através de Figura 24 - Ciclo de compressão de vapor [43] 44 filtragem, aquecimento e/ou arrefecimento, humidificação e/ou desumidificação. Estas unidades possuem muitos pontos de rede no sistema de AVAC para gerir todos estes processos e podem servir um edifício num ou em ou vários andares. Uma UTA consiste numa grande caixa metálica que contém pelo menos um ventilador mecânico, um elemento de aquecimento e arrefecimento e uma secção de filtragem. Estas unidades podem ter muito mais e variados componentes, dependendo da complexidade, requisitos e eficiência energética do edifício a que se destina. As serpentinas existentes nas UTAs utilizam água quente fornecida por uma caldeira central e água fria a partir de um chiller central. A UTA faz circular o ar interior, de forma a que este entre em contacto com as serpentinas de aquecimento e arrefecimento e, em seguida, encaminhando-o através de condutas de ar. b) Equipamentos Terminais, encontram-se no local a climatizar ou próximo. Estes recebem os fluidos primários e utilizam-nos para tratar o ar diretamente no local. c) Equipamentos Intermédios e Acessórios, existem entre os equipamentos centralizados e os equipamentos terminais dos locais a climatizar e os fluidos primários são distribuídos por condutas ou tubagens, possuindo um certo número de acessórios de funcionamento (registos, válvulas, filtros, etc.). d) Equipamentos de Regulação, compreendem os equipamentos de medida, de controlo, de regulação e de segurança, como sondas, termóstatos e reguladores. 45 5.1.2.2 - Classes de Sistemas das Instalações de AVAC Para ordenar de forma simples e sucinta o conjunto de sistemas de climatização, utilizados atualmente, atribuem-se classes aos sistemas das instalações, quanto à natureza do fluído primário utilizado e que podem ser o Ar, a Água e o Refrigerante. Assim, consideram-se as classes de sistemas Tudo Ar, Mistos (com ar e água), Tudo Água e Expansão Direta, neste caso com um gás refrigerante. Em relação aos múltiplos sistemas existentes das instalações de AVAC apresenta-se uma delineação, dos mais correntes, na figura 25 [37]: Figura 25 - Delineação dos múltiplos sistemas existentes das instalações de AVAC [37] 46 5.1.2.3 - Equipamentos dos Sistemas de Tratamento do Ar No processo de transformação de fluidos refrigerantes ou na produção de água refrigerada/quente, a utilizar nos sistemas de tratamento do ar, as instalações de AVAC precisam de vários equipamentos. Atualmente são mais utilizados os equipamentos designados de expansão direta, constituídos por unidades condensadoras exteriores, que integram máquinas de compressão de um fluído refrigerante, ligadas por tubagens em cobre isoladas, a unidades evaporadoras interiores e que constituem o sistema de tratamento do ar (split-system) [37]. Quando o processo de tratamento do ar é através de água, utilizam-se baterias integradas em unidades compactas ou modulares, dependendo da potência térmica [37]. No entanto, as unidades de tratamento do ar utilizam um maior número de componentes, pelo que é importante fazer uma breve descrição dos principais equipamentos constituintes das unidades de tratamento do ar interior. No mesmo sentido, devem ser também referenciados os recuperadores de calor e os variadores de velocidade, uma vez que estes últimos permitem reduções significativas de energia primária e consequentemente, redução dos gases com efeito de estufa, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida [37] [41]. 5.1.2.3.1 - Ventiladores Um ventilador é uma máquina que recebe energia mecânica e a utiliza com o apoio de uma ou várias rodas com pás, de maneira a manter um escoamento contínuo de ar ou de um gás, que o atravessa. Existem três tipos principais de ventiladores, os Centrífugos, onde o ar entra na roda com uma velocidade essencialmente axial e sai numa direção sensivelmente paralela a um plano radial, os Helicoidais, onde o ar entra na roda e sai sensivelmente ao longo das superfícies cilíndricas coaxiais ao ventilador e os Tangenciais, onde a trajetória do fluído na roda é essencialmente normal ao eixo, tanto à entrada como à saída da roda [36] [37]. 5.1.2.3.2 - Baterias de Aquecimento e Arrefecimento do Ar a) Baterias de Aquecimento do Ar a Água ou a Vapor No tratamento do ar, o objetivo de uma bateria de aquecimento é fornecer a temperatura pretendida para o normal funcionamento de um sistema de termoventilação ou de climatização. Estes equipamentos são constituídas por tubos dispostos em fiadas nos quais se encontram inseridas alhetas. Os tubos são soldados na sua extremidade a colectores comuns e a mistura do ar circula perpendicularmente aos tubos, atravessando as alhetas, e o fluído de aquecimento, água quente ou vapor, circula no interior dos tubos [36] [37]. b) Baterias de Aquecimento Elétrico Este tipo de baterias é frequentemente utilizado em instalações de pequena potência e são constituídas uma estrutura em chapa de aço no interior do qual se encontram os elementos de aquecimento eléctrico através dos quais passa o ar a aquecer. Os lados da entrada e saída da bateria são constituídos por uma moldura em cantoneira para permitir a sua ligação à rede de condutas. Os elementos de aquecimento podem ser resistências em fio ou em banda 47 realizadas em liga de níquel e cromo e tensas entre isoladores cerâmicos ou barras em cobre ou em aço, revestidas de um material isolante em magnésio ou areia de quartzo nos quais os fios são dispostos em espiral. Existem muitos modelos no mercado, comercializados com designação diversa [36] [37]. c) Baterias de Arrefecimento Estes equipamentos são muito semelhantes às baterias de aquecimento, mas funcionam com água refrigerada forçada. Pode-se utilizar sem nenhuma contraindicação um permutador de calor previsto para funcionar com água quente como bateria de arrefecimento do ar, fazendo circular água fria ou refrigerada em vez de água quente. Nos casos em que se dispõe de pressão suficiente pode-se optar por uma velocidade de passagem da água nos tubos mais elevada do que na água quente [36] [37]. 5.1.2.3.3 - Filtros de Ar Estes equipamentos têm a função de reter as impurezas sólidas, líquidas ou gasosas contidas no ar atmosférico, de diferentes origens e dimensões. A captação das partículas sólidas ou líquidas pode efetuar-se através de diversos métodos físicos, enquanto que as partículas gasosas fazem-se por absorção química e/ou física. Os filtros podem dividem-se em filtros para poeiras ordinárias e finas (pré-filtros) e filtros para poeiras ultrafinas (filtros absolutos) [37]. A concentração em partículas (norma NFX44-101) do ar atmosférico não poluído situa-se entre 0,05 e 3,0 mg.m-3 e a conveniência de um filtro situa-se entre 3 e 20 mg.m-3, caso não se trate de atmosferas particulares, necessitando de dispositivos de filtragem mais eficazes [36] [37]. 5.2.2.3.4 - Humificadores Os humidificadores de pulverização são equipamentos em que o ar está em contacto direto com a água, havendo permuta de calor e transferência de massa, pelo que é possível obter diversas modificações de estado, sendo a mais comum a humidificação e o arrefecimento, dependendo da temperatura da água. Estes equipamentos podem realizar também a retenção de poeiras ordinárias e alguns gases como o SO2 [36] [37]. Nos aparelhos com pulverização por pressão de água, a água é pulverizada por meio de injectores, produzindo uma névoa densa de gotículas atravessadas por uma corrente do ar, normalmente à velocidade de 2 a 3 m.s-1. A câmara de pulverização compreende um reservatório e uma caixa, normalmente em chapa de aço, ou em material plástico, bem como uma rampa de pulverização e uma electrobomba. Esta aspira a água do reservatório e envia-a aos injectores pelas rampas de pulverização. É fundamental instalar na aspiração um filtro eficaz, para retenção das impurezas da água, pois os injectores são muito sensíveis às impurezas e do ponto de vista de higiene, é necessário prever a possível transmissão de germes, uma vez que a água do reservatório é um lugar privilegiado de multiplicação dos microrganismos. É portanto muito importante lavar e desinfectar regularmente o lavador [39] [37]. 48 Nas instalações de climatização, a humidificação do ar deve fazer-se preferencialmente através de um humidificador de pulverização em vez de um humidificador a vapor, por razões de consumo de energia [37]. 5.1.2.3.5 - Desumidificadores No processo de desumidificação a humidade ao ar pode ser retirada por arrefecimento do ar com separação de água ou por absorção ou adsorção da água por meio de substâncias líquidas ou sólidas. No primeiro caso, o processo de desumidificação do ar verifica-se sempre que existe um arrefecimento suficiente do mesmo, isto é, a temperatura da superfície de permuta (bateria de arrefecimento) situa-se abaixo da temperatura do ponto de orvalho do ar. No segundo método, o vapor de água contido no ar é absorvido por adsorção a substâncias, como a sílica de gel ou o cloreto de lítio. Este, é libertado no sector de regeneração atravessado por uma corrente de ar quente [36] [37]. 5.1.2.3.6 - Recuperadores de Calor As instalações de AVAC necessitam de importantes quantidades de energia térmica, designadamente no tratamento do ar exterior introduzido nos sistemas, para compensar as extrações do ar interior viciado. Para reduzir o correspondente consumo, é possível recuperar o calor contido no ar de expulsão aplicando, para o efeito, os processos de recuperação de energia mais utilizados nos sistemas de climatização são o controlo da entalpia, o recuperador de calor rotativo e o recuperador de calor de placas [37] [42]. No processo designado por controlo da entalpia do ar exterior, os equipamentos utilizados controlam as quantidades do ar exterior, de expulsão e consequentemente da mistura nos sistemas de climatização. Estas quantidades vão variando ao longo do ano, em função da temperatura exterior. Um outro processo de recuperação de energia consiste na aplicação de um permutador de calor rotativo, transferindo energia do ar de extração para o ar novo. Relativamente aos permutadores de calor com fluxos de ar cruzados, do tipo estático, estes são separados uns dos outros por placas, de pequena espessura, em alumínio ou material plástico, por exemplo [37] [42]. Todos os processos de recuperação de calor permitem economizar energia, mas necessitam de custos de investimento, mais ou menos relevantes, sendo necessário efetuar um cálculo da rentabilidade económica para cada caso [37]. 5.1.2.3.7 - Variadores de velocidade Deve ser destacado, pela sua importância significativa na redução da fatura energética, os variadores de velocidade, também conhecidos como conversores de frequência, variadores de frequência ou inverters. Estes equipamentos são unidades eletrónicas de potência que permitem o controlo contínuo da velocidade de motores de indução, convertendo a frequência da rede para outra frequência e, assim, controlam a velocidade do motor de forma proporcional à frequência [41]. Nas instalações AVAC, as necessidades dos sistemas de aquecimento e refrigeração variam com a temperatura exterior, com a ocupação do edifício e com o nível de produção. Assim, os variadores de velocidade permitem importantes benefícios de eficiência energética, 49 uma vez que podem ou não abrandar um ventilador, uma bomba ou um compressor, por exemplo, em função da carga em cada momento, enquanto que os sistemas tradicionais funcionam sempre na velocidade máxima, consumindo mais eletricidade do que a requerida para a tarefa [41]. Variadores de velocidade em Bombas e Ventiladores Como alternativa ao uso de redutores, palhetas, válvulas ou controlo on/off, para controlar a saída de um ventilador ou de uma bomba, os variadores de velocidade permitem grandes poupanças de energia, desde que a saída necessária seja inferior à nominal, na maior parte do tempo de operação. Ao contrário dos redutores de fluxo, os variadores de velocidade controlam a velocidade de trabalho destas máquinas associadas ao AVAC, alterando a energia elétrica fornecida, em função das necessidades. É como reduzir a velocidade de um carro pressionando menos no acelerador em vez de usar o travão para diminuir a velocidade [44]. Para além da poupança de energia, existem outros benefícios associados à utilização de variadores de velocidade no controlo da velocidade de ventiladores e bombas associados a sistemas AVAC, nomeadamente os factos dos arranques e paragens suaves provocarem menos stress mecânico nesses equipamentos e a redução da velocidade, por oposição à limitação mecânica da saída, resultar em níveis de ruído mais baixos [44]. Deve ser pois sublinhado que os variadores de velocidade AC utilizam menos energia do que outra qualquer alternativa de funcionamento a velocidade fixa. Nos ventiladores e bombas, por exemplo, a poupança de energética varia entre 20-50% [44]. Quando um ventilador é acionado por um motor de velocidade fixa, o fluxo/caudal de ar pode às vezes ser maior do que aquele que seria necessário. Esse fluxo/caudal pode ser regulado através de válvulas para restringir a quantidade, mas é claramente mais eficiente se a mesmo for conseguida através da regulação da velocidade do motor [44]. Variadores de velocidade em Compressores Os compressores, em AVAC, são utilizados muitas vezes em chillers para arrefecimento de água, que é usada posteriormente para o arrefecimento do ar. A poupança energética é conseguida pela otimização da configuração do sistema de compressor, circulação de água refrigerada e circulação de água do condensador. Neste caso o "set point" ótimo para a temperatura de água fria e a temperatura da água do condensador é baseado na temperatura interior e exterior e humidade. Como benefícios desta associação, devem ser mencionados ainda a redução do número de arranques e paragens, e, por consequência, a redução do desgaste do compressor, o menor stress nas rampas de arranque ou de paragem das tubagens e instalação hidráulica, a redução do nível de ruído em situações de baixa carga e a possibilidade de se utilizarem compressores de alta velocidade [44]. 50 Capítulo 6 - Tarifários elétricos e otimização da fatura energética 6.1 - Introdução O objetivo fundamental das atividades que integram o Sistema Elétrico Nacional (SEN), centra-se na disponibilização de energia elétrica em termos adequados às necessidades dos consumidores, quer qualitativa quer quantitativamente, com base em princípios de racionalidade e eficiência dos meios a utilizar em todas as atividades que integram o setor elétrico, desde a produção de eletricidade até ao seu fornecimento ao consumidor final [45]. A liberalização e a construção do mercado interno de eletricidade tem por intenção o aumento da concorrência, com reflexos ao nível dos preços, a melhoria da qualidade de serviços e uma maior satisfação dos consumidores. O sistema tarifário e o cálculo das tarifas, definidas no Regulamento Tarifário, pretendem promover a eficiência na afectação de recursos, a equidade e justiça das tarifas, o equilíbrio económico e financeiro das empresas reguladas, a qualidade do fornecimento de energia eléctrica e a estabilidade da evolução tarifária. Para que cada cliente pague na medida dos custos que causa no sistema, torna-se necessário que a tarifa que lhe é aplicada seja composta pelas tarifas por atividade que, por sua vez, são determinadas com base nos diferentes custos por atividade [45]. As tarifas de acesso às redes, aprovadas pela ERSE e pagas por todos os consumidores de energia eléctrica, incluem as tarifas de Uso Global do Sistema, de Uso da Rede de Transporte e de Uso da Rede de Distribuição. Os clientes que escolherem o seu comercializador mercado livre, pagam as tarifas de acesso às redes e negoceiam livremente os preços de fornecimento de Energia e de Comercialização com o seu comercializador. As tarifas de venda a Clientes Finais (figura 26) aplicadas pelo Comercializador de Último Recurso aos seus clientes, são calculadas a partir das tarifas por atividade incluídas no Acesso às Redes, adicionadas das tarifas reguladas de Energia e de Comercialização. Estas tarifas são aprovadas pela ERSE [45]. Qualquer consumidor final pretende que os custos suportados pelo consumo de energia elétrica seja o menor possível. Para que isso seja possível, é imperioso a análise da fatura Figura 26 - Tarifas de Venda a Clientes Finais [45] 51 energética. Para que esta análise resulte numa redução efetiva de despesas, é importante um bom conhecimento da legislação que regulamenta o fornecimento de energia elétrica, a qual estabelece as modalidades tarifárias disponíveis, as grandezas a serem utilizadas para a faturação e os parâmetros fixos em contrato. No entanto, e importante que tipo de analise seja efetuado transversalmente a empresa, obtendo pareceres quer das áreas técnicas (manutenção e produção) quer da área financeira, na medida em que algumas das soluções propostas poderão ter implicações também elas transversais [46]. A tensão de entrega da eletricidade ao cliente divide-se em 5 níveis, a saber [46]: - Muito Alta Tensão (MAT) - tensão entre fases cujo valor eficaz e  superior a 110 kV; - Alta Tensão (AT) - tensão entre fases cu j o valor eficaz e  superior a 45 kV e igual ou inferior a 110 kV; - Media Tensão (MT) - tensão entre fases cujo valor eficaz e  superior a 1 kV e igual ou inferior a 45 kV; - Baixa Tensão Especial (BTE) - tensão entre fases c u j o valor eficaz e  igual ou i n f er io r a 1 kV com a potência contratada superior a 41,4 kW; - Baixa Tensão Normal (BTN) - tensão entre fases cujo valor eficaz e  igual ou inferior a 1 kV com a potência contratada inferior ou igual a 41,4 kW. 6.2 - Valores Tarifários MT Os abastecimentos em MT, que é o caso da E sco l a de H o tela r i a e T u r i s mo do P o rto , pressupõem a existência de um posto de transformação (PT) na instalação e podem beneficiar das tarifas diferenciadas em ciclos horários. Os ciclos de horários de entrega de energia elétrica previstos no Regulamento Tarifário para clientes finais em MT, são diferenciados em Ciclo Diário, Ciclo Semanal e Ciclo Semanal Opcional. Cada ciclo possui períodos horários q u e se dividem em horas de ponta , cheias, vazio e s u pe r - v a z io . As horas de ponta são as que representam um custo mais elevado, cerca do dobro do custo das horas cheias e cerca do triplo do custo das horas de vazio. Nas tabelas 23, 24 e 25 e  apresentado, para cada um dos ciclos horários, a respetiva dis tribu i çã o dos períodos horários [46]. Tabela 23 - Períodos horários para ciclo diário [46] 52 Tabela 24 - Períodos horários para ciclo seminal [46] Tabela 25 - Períodos horários para ciclo seminal opcional [46] No ciclo diário a distribuição dos períodos horários e  igual nos 7 dias da semana. E s te ciclo e  normalmente favorável a entidades que laboram 5 dias por semana. Já no caso de entidades que trabalham no fim-de-semana com carga semelhante aos dias úteis o ci cl o semanal devera  ser o mais vantajoso financeiramente [46]. 59 7.2 - Sistemas de Iluminação Para a realização do estudo do sistema de iluminação da parte escolar da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto, foi necessário fazer uma profunda análise da planta da Escola em ficheiro Autocad. Foi feito um levantamento das áreas de cada espaço que são analisados, assim como as armaduras e lâmpadas que fazem parte destes espaços. Através do Dialux, que é um software de cálculo luminotécnico, foi realizado o cálculo da iluminância média para cada espaço mais significativo. Os valores dos níveis de iluminância média obtidos foram comparados com os valores de referência definidos para cada espaço, assim como com os valores obtidos através da medição com um luxímetro (Nº Série: 030605149). O estudo foi realizado considerando como fator mais importante a relação custo/benefício do investimento. Os balastros instalados na escola são todos do tipo eletrónico. A potência total (Ptotal) consumida pelas lâmpadas num determinado espaço é dada pela seguinte expressão: Ptotal (W) = NumeroLampadas×PotenciaLampada em que, a PotenciaLampada é a soma do consumo da lâmpada e do balastro. Para um determinado espaço, ao termos o valor da potência das lâmpadas, o número de horas que se encontram acesas por dia e o número de dias que se encontram acesas por ano, é possível determinar o consumo anual para cada situação, através da seguinte expressão: ConsumoAnual(kWh) = Ptotal ×NumeroHorasDia×NumeroDiasAno De modo a calcular o custo anual em cada situação, foi considerado que o preço kWh para a instalação é de 0,08607. A expressão utilizada foi a seguinte: CustoAnual(euros) = 0,08607×ConsumoAnual O investimento foi calculado multiplicando o preço unitário de cada lâmpada pelo número de lâmpadas necessárias para iluminar o espaço: Investimento(euros) = NumeroLampadas×PrecoCadaLampada Para calcular a poupança alcançada durante um ano, o custo anual atual é subtraído pelo custo anual da solução sugerida. PoupancaAnual(euros) = CustoAnualAtual−CustoAnualSolucao O período de liquidação do investimento, designado por tempo de retorno, é calculado após determinarmos o valor da poupança anual oferecida por uma determinada solução: Retorno(Anos) = Investimento/PoupançaAnual O número de horas que as lâmpadas estão ligadas durante os dias úteis da semana (segunda a sexta) para cada tipo de espaço, pode ser consultada no anexo A.2. As caraterísticas das armaduras instaladas na Escola encontram-se representadas no anexo A.4. 60 7.2.1 - Piso -1 7.2.1.1 - Self-Service Cafetaria A Cafetaria Self-Service encontra-se iluminada por intermédio de 23 luminárias do tipo A2, cada uma delas com uma lâmpada fluorescente T5 de 49 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 399 lux e o valor medido no luxímetro foi de 360 lux. Através da figura 29 podemos observar como é que a iluminação se distribui pela cafetaria: Figura 29 - Distribuição da iluminação na Cafetaria O valor de referência para um Cafetaria é de 200 lux, pelo que realizou-se um novo estudo com as lâmpadas LED de 28 W de forma a chegar a esse valor. Os resultados obtidos para o estudo económico encontram-se ilustrados nas tabelas 31 e 32. Foi considerado que esta lâmpada encontra-se ligada durante 12 horas por dia. A troca da lâmpada atual para LED de 28 W, garante uma redução de 43% em relação a potência da lâmpada. Tabela 31 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 399 24000 4300 1127 - 2163,84 Solução Proposta LED 28 W 243 60000 2621 644 483 1236,48 Tabela 32 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 186 , 24 € - - Solução Proposta 63 . 75€ 1466 , 25€ 106 , 42 € 79,82 € 18,4 anos 61 Visto que se considera uma depreciação de 20% no valor do nível médio de iluminação, com esta nova lâmpada teríamos um valor praticamente igual ao valor de referência, que é de 200 lux. No entanto, parece existir um retorno muito prolongado pelo que não é a solução ideal. Fez-se então outro estudo, de modo a se tentar encontrar uma melhor solução, sendo utilizadas lâmpadas T5 de 35 W (tabela 33). Tabela 33 - Consumo anual de áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 399 24000 4300 1127 - 2163,84 Solução Proposta T5 35 W 356 24000 3650 805 322 1545,6 Tabela 34 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 186 , 24 € - - Solução Proposta 7 , 92€ 182 , 16€ 133 , 03 € 53 , 21 € 3,4 anos Economicamente, esta nova solução é boa com um retorno do investimento em 3 anos. Esta é a melhor solução que se encontrou e é viável (tabela 34). 7.2.1.2 - Balneário O Balneário encontra-se iluminado por intermédio de 12 luminárias do tipo A2, cada uma delas com uma lâmpada fluorescente T5 de 49 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 452 lux e o valor medido no luxímetro foi de 500 lux. Através da figura 30 podemos observar como é que a iluminação se distribui pelo balneário: Figura 30 - Distribuição da iluminação no Balneário 62 O valor de referência para um balneário é de 200 lux, pelo que realizou-se um novo estudo. O objetivo deste estudo passa por reduzir o consumo da iluminação sem ter que alterar as armaduras, caso seja possível, ou seja, substituir diretamente as lâmpadas, respeitando sempre o valor de iluminância média definido pela norma. Os resultados obtidos para o estudo económico encontram-se ilustrados nas tabelas 35 e 36. Foi considerado que esta lâmpada encontra-se ligada durante 4 horas por dia. A troca da lâmpada atual para LED de 28 W, garante uma redução de 43 % em relação a potência da lâmpada. Tabela 35Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 402 24000 4300 588 - 376,32 Solução Proposta LED 28 W 245 60000 2621 336 252 215,04 Tabela 36 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 32 , 39 € - - Solução Proposta 63 , 75€ 765€ 18 , 51 € 13,88 € 55 anos Visto que se considera uma depreciação de 20 % no valor do nível médio de iluminação, teríamos um valor praticamente igual ao valor de referência, que é de 200 lux . No entanto, olhando para o retorno, verifica-se que não é uma solução viável em termos económicos. Assim sendo, fez-se outro estudo com lâmpadas T5 de 35 W (tabela 37). Tabela 37 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 399 24000 4300 588 - 376,32 Solução Proposta T5 35 W 347 24000 3650 420 168 268,8 63 Tabela 38 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 32 , 39 € - - Solução Proposta 7 , 92€ 95 , 04€ 23 , 14 € 9 , 25 € 10,2 anos Como se pode verificar (tabela 38), o tempo de retorno do investimento é grande e para além disso, o valor de iluminância média obtida está superior ao do valor referido na norma. Não existe uma lâmpada com o mesmo comprimento e uma potência inferior. 7.2.1.3 - Restaurante O restaurante encontra-se iluminado por intermédio de 10 luminárias do tipo A2, cada uma delas com uma lâmpada fluorescente T5 de 49 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 446 lux e o valor medido no luxímetro foi de 450 lux. Através da figura 31 podemos observar como é que a iluminação se distribui pelo restaurante. Figura 31 - Distribuição da iluminação no restaurante Um restaurante deve ter um valor de iluminância média tal, que permita criar o ambiente apropriado. Fez-se um novo estudo, de modo a poder verificar uma possível melhoria com uma lâmpada LED. Os resultados obtidos para o estudo económico encontram-se ilustrados nas tabelas 39 e 40. Foi considerado que esta lâmpada encontra-se ligada durante 4 horas por dia. A troca da lâmpada atual para LED de 28 W, garante uma redução de 43 % em relação a potência da lâmpada. 64 Tabela 39 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 446 24000 4300 490 - 313,6 Solução Proposta LED 28 W 272 60000 2621 280 210 179,2 Tabela 40 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - - - Solução Proposta 11,57 55 anos Após análise das tabelas, verifica-se que a solução da lâmpada LED seria uma solução pouco mais económica mas com uma muito maior vida útil e com um outro ambiente, devido à diferença que se verifica do fluxo luminoso. O seu grande tempo de retorno não a faz uma boa solução. Tendo isto em conta, decidiu-se fazer um outro estudo, com uma lâmpada T5 de 35 W (tabela 41): Tabela 41 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 446 24000 4300 490 - 313,6 Solução Proposta T5 35 W 327 24000 3650 350 140 224 Tabela 42 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 26,99 € - - Solução Proposta 7 , 93€ 7 9 , 3€ 19,28 € 7,71 € 10,3 anos Comparativamente com a solução proposta anteriormente, verifica-se que esta (tabela 42) possui um nível de iluminância média mais próxima da atual, que é bastante adequada ao local. No entanto, o seu tempo de retorno não é viável. 65 7.2.1.4 - Cozinha de Produção A cozinha encontra-se iluminada por intermédio de 10 luminárias do tipo A5, cada uma delas com 4 lâmpadas de 14 W e 2 luminárias da marca e modelo Trilux Solvan, cada uma delas com uma lâmpada fluorescente T5 de 49 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 420 lux e o valor medido no luxímetro foi de 510 lux. Através da figura 32 podemos observar como é que a iluminação se distribui pela cozinha. O valor de referência para uma cozinha é de 500 lux, pelo que considerando a depreciação da luz de 20 %, verifica-se que o valor obtido encontra-se de acordo com a norma. 7.2.2 - Piso 0 7.2.2.1 - Biblioteca Esta biblioteca encontra-se iluminada por intermédio de 9 armaduras do tipo A1, cada uma delas com uma lâmpada fluorescente T5 de 49 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 537 lux (a iluminância máxima registada foi de 706 lux e a mínima foi de 265 lux). Através da figura 33 podemos observar como é que a iluminação se distribui pela biblioteca. Figura 32 - Distribuição da iluminação na cozinha Figura 33 - Distribuição da iluminação na biblioteca 66 Como o valor de referência para o nível de iluminação para zona de leitura de uma biblioteca são 500 lux e para zona de estantes são 200 lux, pode-se depreender que o resultado obtido satisfaz as condições exigidas para este tipo de espaço. O valor obtido pelo luxímetro foi de 350 lux. Tal diferença entre o valor obtido pelo Dialux e pelo luxímetro, é devido ao amarelecimento do acrílico das luminárias que provocam uma depreciação da luz. Fez-se um novo estudo de modo a poder verificar uma possível melhoria com uma lâmpada LED. Os resultados obtidos para o estudo económico encontram-se ilustrados nas tabelas 43 e 44. Foi considerado que esta lâmpada se encontra ligada durante 8 horas por dia. A troca da lâmpada atual para LED de 28 W, garante uma redução de 43 % em relação a potência da lâmpada. Tabela 43 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 537 24000 4300 441 - 564,48 Solução Proposta LED 28 W 327 60000 2621 252 189 322,56 Tabela 44 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço p/Unid. Investimento Custo Anual Poupança Retorno Solução Atual - - 48,59 € - - Solução Proposta 63 , 75€ 573 , 75€ 27,76 € 20,8 € 27,5 anos Como se pode verificar, uma alteração destas traria grandes benefícios em termos de redução da potência e aumento da vida útil. No entanto, tem um longo tempo de retorno e tal alteração não vai de encontro à norma da iluminação, visto que o valor de iluminância seria inferior ao valor de referência, portanto conclui-se que não seria uma solução viável. 7.2.2.2 - Mediateca A sala é composta por 15 luminárias do tipo A1, sendo as luminárias constituídas por lâmpadas T5 de 49 W, e a iluminância média atual é de 476 lux segundo o Dialux. No luxímetro mediu-se um valor de 330 lux, que se deve novamente à depreciação que se verifica nas lâmpadas atuais. O valor de referência para o nível de iluminação para uma zona de Escrita, leitura e processamento de dados é de 500 lux, pelo que não é necessário a realização de um novo estudo. Através da figura 34 podemos observar como é que a iluminação se distribui pela mediateca. 67 7.2.2.3 - Anfiteatro Cozinha O anfiteatro cozinha encontra-se iluminado por intermédio de 18 armaduras do tipo A5, cada uma com 4 lâmpadas fluorescentes T5 de 14 W. A iluminância média registada após a realização do estudo no software Dialux foi de 400 lux e o valor medido no luxímetro na área do auditório foi de 370 lux. O valor de referência para este auditório é de 500, pelo que o valor obtido não se encontra dentro dos parâmetros. Na mesa de demonstração mediuse 510 lux, e segundo o valor de referência que é 500 lux, verifica-se que está de acordo. Através da figura 35 podemos observar como é que a iluminação se distribui pelo Anfiteatro. Fez-se um novo estudo de modo a poder verificar uma possível melhoria com uma lâmpada LED. Neste caso, ter-se-ia de substituir no auditório a luminária e não apenas a lâmpada, por outra de LED encastrada de 32,5 W. Foi considerado que esta lâmpada se encontra ligada durante 2 horas por dia. Figura 34 - Distribuição da iluminação na mediateca Figura 35 - Distribuição da iluminação no anfiteatro de cozinha 68 Tabela 45 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 389 24000 4440 882 - 282,24 Solução Proposta LED 32,5 W 307 50000 3500 585 297 187,2 Após análise da tabela 45, verifica-se que a norma não é respeitada pela nova solução pelo que a torna inviável. 7.2.2.4 - Sala de Aula A sala é composta por 8 luminárias do tipo A1, sendo as 8 luminárias constituídas por lâmpadas T5 de 49 W. A iluminância média atual é de 600 lux segundo o Dialux. O valor de referência para o nível de iluminação para uma sala de aula com utilização noturna é de 500 lux. O luxímetro mediu apenas um valor de 450 lux, que se deve à depreciação da luz. Através da figura 36 podemos observar como é que a iluminação se distribui pela sala. Tendo em conta a depreciação da luz de 20%, verifica-se que o valor obtido no Dialux está de acordo com o valor de referência. No entanto, fez-se um novo estudo de modo a verificar a possibilidade de aumentar a eficiência energética. Os resultados obtidos para o estudo económico encontram-se ilustrados nas tabelas 46 e 47. Foi considerado que esta lâmpada encontra-se ligada durante 12,5 horas por dia. A troca da lâmpada atual para LED de 28 W, garante uma redução de 43 % em relação à potencia da lâmpada. Tabela 46 - Consumo anual por áreas Tipo Lâmpada E m (lux) Vida Útil (h) Fluxo Luminoso Total (lm) PTotal (W) Redução (W) Consumo Anual (kWh) Solução Atual T5 49 W 600 24000 4300 392 - 784 Solução Proposta LED 28 W 365 60000 2621 224 168 448 Figura 36 - Distribuição da iluminação na sala de aula 75 Tabela 59 - Características das divisões que necessitam do detetor (continuação) Divisão Consumo Total/mês Redução (%) Redução (W) Custo (mensal) Nº salas Total poupança/mês Sala de Aula 7 , 42 € 64% 4 , 75 € 2 , 67 € 11 52 , 26 € Sala de Informática 5 , 57 € 64% 3 , 56 € 2 , 00 € 2 7 , 13 € Biblioteca 8 , 35 € 100% 8 , 35 € - € 1 8 , 35 € Cafetaria Self-Service 21 , 34 € 75% 16 , 01 € 5 , 34 € 1 16 , 01 € Mediateca 13 , 92 € 100% 13 , 92 € - € 1 13 , 92 € No cálculo da poupança diária, tem-se em consideração o horário de cada divisão exposto no anexo A.2, havendo vantagem no uso do detetor desde o início do dia até às 17h30, quando há mais iluminação. Nas restantes divisões, não se justificava a utilização destes sensores:  Sala da direção: iluminação fraca;  Balneário: já com sensores;  Sala de Bar: janelas foscas;  Cozinha de produção: iluminação natural quase inexistente;  Circulação: já com sensores;  Anfiteatro Cozinha: sem janelas;  Sala de reuniões: janelas foscas. 7.2.5 - Considerações gerais sobre a Iluminação Do estudo realizado para os espaços principais da Escola, constatou-se que existem 4 espaços cujo nível médio de iluminação é menor ou maior do que o valor referência. Estes espaços eram a cafetaria self-service, os balneários e as circulações tinham valores inferiores ao valor de referência, já o anfiteatro tinha um valor inferior ao de referência. Foi possível descobrir uma nova solução para os corredores e para a cafetaria, com lâmpadas T5 de 35 W. Verificou-se que as lâmpadas LED propostas eram economicamente desvantajosas. Para as luminárias onde se observou depreciação de luz, propõe-se a alteração do acrílico por policarbonato, que tem melhores características. Foi possível diminuir o consumo nalguns casos, obtendo-se uma redução de custo anual de 481,23€. Nas figuras 42 e 43 encontram-se representados os benefícios alcançados com esta alteração, sendo que na figura 43 faz-se uma comparação entre o valor do consumo atual e o consumo novo obtido com a nova solução, dos espaços mencionados, enquanto que na figura 42 representa-se o custo atual e o custo novo obtido, relativos também a estes espaços. Esta redução de consumo e custo, resulta de uma investimento 1354,32€. 76 Figura 43 - Comparação dos consumos anuais atual e proposto das divisões mencionadas Para além da melhoria obtida após o estudo realizado, fez-se outro estudo, referente ao sistema de iluminação dos espaços que necessita de uma alguma atenção: sugere-se a instalação de detetores de presença e de luz natural nas salas de aula, salas de informática, na cafetaria self-service, na biblioteca e na mediateca, visto terem uma grande iluminação natural disponível. O controlo é efetuado por detetores de presença e luz natural 360º, que fazem a aquisição do valor da iluminância fazendo a variação independente do fluxo luminoso de cada luminária ou de conjuntos de luminárias. Esta solução é boa, visto ter um período de retorno baixo (tabela 60). Tabela 60 - Análise da viabilidade económica da solução proposta Preço/unidade Nº total salas Investimento Retorno Poupança/ano 223,90 € 16 3582,4€ 3,06 anos 1171,87€ Figura 42 - Comparação dos custos anuais atual e proposto das divisões mencionadas 77 7.3 - Sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado 7.3.1 - Estudo e Análise do Sistema de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado 7.3.1.1 - Equipamentos e circuitos Hidráulicos Integram-se neste ponto os equipamentos e redes associados com a preparação e distribuição de água para o tratamento ambiente das diversas zonas / locais abrangidos. 7.3.1.2 - Caldeiras Destinadas à preparação da água quente a distribuir aos diversos equipamentos para aquecimento ambiente e aquecimento das águas quentes sanitárias (AQS), tem-se, uma caldeiras a gás, de solo, construída em elementos de aço, pressurizada, com câmara de combustão de tripla passagem de fumos e com características de funcionamento a baixa temperatura (anti-condensação), para: ESCOLA  potência útil: 620 kW  rendimento: 92 % A caldeira é criteriosamente isolada (espessura mínima de 100 mm de lã de rocha 100 kg/m3) e com revestimento exterior em painéis de chapa de aço termo-lacados. De modelo GTE 62, equipada com quadro de comando e controlo, próprios para funcionarem associados à G.T.C. 7.3.1.3 - Chiller Destinados à preparação da água refrigerada a distribuir aos diversos equipamentos centralizados para arrefecimento ambiente, apenas durante o verão, na parte escolar existe um chiller, com as características expressas na tabela 61, do tipo ar/água, instalado na cobertura, destinado à preparação da água refrigerada a distribuir aos diversos equipamentos centralizados para arrefecimento ambiente, de alta eficiência e baixo nível acústico. Tabela 61 - Características do Chiller da Escola Marca Lennox Modelo NAC 380D NM3M Potência Térmica (kW) 378.6 Potência Nominal (kW) 190 Fluido frigoregéneo R410A Fonte de energia Eletricidade Ano de Construção 2010 O microprocessador de controlo e gestão do chiller assegura o controlo P.I.D., multiparâmetro o ptim i z a do , com “display” funcional e de diagnóstico , e comunicação de dados por ligação série RS 232, com o sistema de gestão centralizado - G.T.C. -. 78 Condições base de referência: - temperatura exterior: 35°C - água de climatização: ida - 6°C, retorno -12°C. Horário de funcionamento do Chiller (figura 45): o Chiller inicia sua atividade às 6h30 da manhã, terminando as suas funções às 11h. Este leva cerca de 30 minutos até atingir a temperatura desejada, altura em que começa a funcionar num regime de 30%. Até então, funciona num regime de 80%. De referir que as aulas têm início às 8h30. O custo de funcionamento ao longo do tempo terá a seguinte expressão: CustoFuncionamento = PotênciaAbsorvida *FatorUtilização*PeriodoFuncionamento*ValorTarifa Este horário implica um custo de 11 , 65€ por dia, o equivalente a 1281 , 59€ por a n o . Para poder obter uma melhoria na fatura energética, é preciso alterar a hora de começo para um horário em que os custos são menores, ou seja, o horário de Super Vazio (figura 46). Para este horário, o custo seria de 14,38€ por dia, equivalendo a 1 582,21€ por ano – mais 300€ do que o custo do horário atual . Conclui-se que ao antecipar o horário inicial do Chiller, onde este funciona a 80%, do horário de Vazio para o horário de Super Vazio, não compensaria, pois como já foi referido, o custo seria maior, uma vez que teria mais horas de funcionamento. Figura 44 - Ciclo horário de Verão vs tarifário de electricidade Figura 45 - Horário do Chiller Figura 46 - Horário do Chiller com anticipação para horário de super vazio 79 Tentou-se fazer uma nova abordagem. Visto que as aulas apenas se iniciam às 8h30, o funcionamento do chiller podia ter início às 8 horas (figura 47), não existindo um período de arrefecimento anterior ao início das aulas. Foi considerado que a essa hora a temperatura da sala não se encontraria elevada visto ser ainda muito cedo, pelo que esse arrefecimento não seria necessário. Atualmente, o custo de funcionamento do chiller até às 8h30 seria de 11 , 65€ por dia . Com este novo h o r á r io , com início às 8 h , teríamos um custo de 7 , 07€ por dia, que equivale a 777 , 48€ por a n o . 7.3.1.4 - Grupos electrobombas As bombas circuladoras têm as seguintes características construtivas principais:  tipo “ i n - l i n e” de rotor i m e rs o ;  corpo em ferro fundido, veio e impulsor em aço inoxidável;  pressão funcional: 10 kg/cm2. As bombas dos circuitos de preparação e de AQS, têm velocidade fixa e funcionamento escalonado encravado com os equipamentos a que se associam, enquanto que as restantes, (circuitos de distribuição) têm velocidade regulável em função da pressão diferencial no respectivo circuito. A regulação de velocidade é efectuada por módulo de controlo integrado, ou associado, que assegura a sua modulação, isoladamente e em paralelo nas de duplo rotor. As características das eletrobombas que se encontram na escola estão apresentadas na tabela 62: Tabela 62 - Características das eletrobombas presentes na escola 7.3.1.4 - Unidades de tratamento de ar As unidades de tratamento do ar da Escola têm incluído o variador de velocidade associado à respectiva roda térmica, assim como os actuadores dos registos motorizados. São alimentadas do QEAC da zona técnica em que se inserem a partir de saídas específicas e normalmente comandadas de modo automático/remoto a partir da G.T.C.. A regulação da temperatura é assegurada de forma modulante pelo controlo centralizado - G.T.C. - para nas diversas situações ajustar o(s) valor(es) da temperatura selecionada. Figura 47 - Horário do chiller com início às 8 horas 80 As características das unidades de tratamento de ar que se encontram na Escola apresentam-se na tabela 63: Tabela 63 - Características das UTAs da escola Divisão Marca Modelo Potência Nominal (kW) Restaurante SystemAir Danvent DV15 2 x 1,70 Self SystemAir Danvent DV30 2 x 5,18 Anfiteatro SystemAir Danvent DV25 2 x 2,73 Mediateca SystemAir Danvent DV20 2 x 3,00 Biblioteca SystemAir Danvent DV20 2 x 3,00 Sala Aulas 1 SystemAir Danvent DV25 2 x 2,73 Sala Aulas 2 SystemAir Danvent DV25 2 x 2,73 Sala Aulas 3 SystemAir Danvent DV30 2 x 5,18 ADM SystemAir Danvent DV20 2 x 3,00 Auditório SystemAir Danvent DV40 2 x 4,00 7.3.1.5 - Ventiladores Ventiladores centrífugos em caixa Os electro-ventiladores deste tipo são centrífugos de dupla entrada, de funcionamento silencioso, não girando a mais de 1000 rpm. O conjunto motor-ventilador fica encerrado numa caixa de chapa de aço zincor de 1,6 mm de espessura (valor mínimo), com tampa de acesso. Interiormente possuem isolamento acústico. São montados sobre estruturas em perfilados metálicos metalizados especificas, à qual não transmitirão vibrações funcionais, descarregando sobre o pavimento. Os ventiladores associados às desenfumagens e às hottes são de simples aspiração e são próprios para funcionar com fumos a 400ºC durante 2 horas. Os ventiladores de pressurização das caixas de escadas possuem velocidade variável em função da pressão diferencial. Os ventiladores de insuflação possuem secção de filtragem EU4, quando associados a zonas técnicas das coberturas, ou EU7, quando associados a zonas de trabalho.  Centrífugos de dupla aspiração: gama Modulys da France-Air  Centrífugos de simples aspiração ou equivalente: Défumair XR da France-Air 7.3.1.6 - Ventiloconvectores Para o tratamento ambiental das zonas administrativas e salas com ar condicionado, existem os ventiloconvectores - VC - que são do tipo horizontal sem móvel próprios para ligação a condutas na admissão/descarga, dispondo de 2 baterias aquecimento/arrefecimento. 81 Cada controlo termostático, incorpora um selector on-off, a selecção de velocidades de funcionamento, e um ajuste de temperatura. Na posição “on”, o VC liga/desliga automaticamente mediante a regulação horária centralizada prevista a nível da G.T.C. 7.3.2 - Considerações gerais sobre o AVAC Esta escola está bem equipada e apresenta grande eficiência no sistema AVAC. Todos os equipamentos encontram-se já com variadores de velocidade, que controlam a velocidade de trabalho destas máquinas, alterando a energia elétrica fornecida, em função das necessidades. O G.T.C. monitoriza e controla o funcionamento de cada um, nos respectivos horários de funcionamento. Nesta área, a proposta de melhoria possível seria relativamente ao chiller, alterando o seu horário de funcionamento com início às 6h30 para uma hora e meia mais tarde, ou seja, passaria a ter início às 8h, meia hora antes do início das aulas. Esta alteração traria uma poupança anual à escola de 504 , 11€ . 7.4 - Optimização da Fatura Energética No Anexo A.5, pode-se observar uma das faturas da Escola de Hotelaria e Turismo do Porto para o ano de 2014, sendo a entidade nesse ano a Iberdrola. De modo a conferir se a Iberdrola seria opção mais económica realizou-se um estudo, em que se fez uma comparação das tarifas da EDP e da entidade atual para os consumos verificados para esse ano. Tabela 64 - Custo do consumo de energia da Escola pela EDP Na tabela 64, os valores apresentados foram obtidos a partir da tabela 25, onde se fez uma média entre os períodos I e III, e entre os períodos II e IV e obteve-se assim os valores unitários das tarifas. O preço da energia era calculada através da multiplicação do preço tabelado de cada tipo de horário com o consumo que se tinha na fatura. Através da análise da tabela 64, podemos verificar que o melhor caso na EDP seria o das Tarifas de longas durações, com um total de 104 577,78€ de energia consumidos num a n o . No entanto, ao comparar esse valor com o valor obtido pela IBERDROLA e que se pode observar na tabela 65, confirma-se que esta última é de facto a melhor opção, onde se 82 poupa 15 045€ comparativamente à E DP , com um total de 89 532,74€ de energia consumida n u m ano. Tabela 65 - Custo do consumo de energia da Escola pela IBERDROLA 83 Capítulo 8 - Conclusões e trabalhos futuros Na realização desta dissertação, pretendeu-se minimizar os custos associados ao consumo da energia elétrica da Escola de Hotelaria e Turismo, respeitando sempre as normas definidas pela União Europeia e tendo em conta o bem-estar dos seus utilizadores. No segundo capítulo, fez-se o enquadramento da temática abordada, relativamente ao consumo atual de energia e impacto ambiental causado pela mesma, sendo descrito o conceito do desenvolvimento sustentável assim como a sua relevância no âmbito da eficiência energética. No terceiro capítulo fez-se uma narração sobre a utilização racional da energia e a gestão de energia, onde foi especificado as principais áreas de atuação para a melhoria da eficiência energética, que foram estudadas neste caso de estudo. No quarto capítulo fez-se um estudo do sistema da iluminação, de modo a entender quais as tecnologias mais eficientes existentes atualmente no mercado. No quinto capítulo, fez-se um estudo sobre os sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado, de modo a demonstrar a sua importância no consumo de energia e apresentar a estrutura global de um sistema destes. No sexto capítulo, fez-se um ponto de situação nos atuais tarifários da venda de eletricidade e sua relação com os ciclos horários, tendo-se concluído as melhores opções. Os estudos realizados para os capítulos mencionados anteriormente serviram de base para a realização do caso de estudo apresentado no capítulo sete. Quando analisada, verifica-se que esta escola já é bastante eficiente em termos de energia. As lâmpadas eram maioritariamente T5 de 49 W, e em apenas algumas divisões foi necessário trocá-las por outras T5 de 35W. Verificaram-se alguns casos de espaços cujo nível médio de iluminação era inferior (anfiteatro) ou superior (cafetaria, balneários e corredores) ao valor recomendado pela norma e foi possível corrigir esse défice na cafetaria e corredores, recorrendo a lâmpadas com menor potência, com um investimento total de 1 354 , 32 €. Conseguiu-se nessas divisões uma redução do custo anual de 481,23€ e conclui-se que se consegue obter um retorno em 2,8 anos. Verificou-se a possibilidade da instalação de detetores de presença e de luz natural nas salas de aula, salas de informática, na cafetaria self-service, na biblioteca e na mediateca, visto terem uma grande iluminação natural disponível. A solução é boa, visto ter um período de retorno de 3,06 anos, a partir de um investimento de 3582,4€. Em relação ao AVAC, verificou-se que todos os equipamentos já tinham variadores de velocidade e que o seu controlo era efetuado pela GTC, que é uma das medidas chaves para o aumento da eficiência energética. A alteração do horário do chiller traria uma poupança anual à escola de 504 , 11€ . A fatura energética foi analisada e verificou-se que a escola utiliza de facto o tarifário mais em conta. 84 Na tabela 66 está apresentado o resumo e conclusão final dos investimentos e poupanças consequentes de cada área estudada: Tabela 66 - Investimentos e Poupanças das áreas de atuação Área de atuação Investimento Redução Retorno Iluminação 1354 , 32€ 481 , 23€ 2,8 anos Detetores 3582 , 4€ 1171,87€ 3,06 anos Chiller (Horário) - 504 , 11€ 0 Variadores de Velocidade - - - G.T.C. - - - Total 4936,72€ 2157,21€ 2,3 anos Considera-se que os objetivos inicialmente propostos foram atingidos, nomeadamente na análise da eficiência energética de um edifício escolar, através de estudos no Dialux, da análise da fatura energética e dos equipamentos AVAC. Tendo por base este trabalho, uma possível área de ser desenvolvida em futuros trabalhos de investigação, seria o estudo do edifício do Hotel que faz parte desta Escola, recorrendo à realização de um estudo do sistema AVAC instalado. 91 A.3 - Lâmpada LED 28W TecIT LED T5.STD3sSERIE 25W Temperatura de cor (K) 3800~4100 Fluxo luminoso (lm) 2621 IRC 75 Preço (€) Tempo de vida útil (h) 60000 Casquilho G5 Tabela A. 2 - Características da Lâmpada 92 A.4 - Dados das lâmpadas da escola Referência Modelo Marca A1 07690 RSX/35 E-LINET5 Trilux A2 TUBILINE EXPORLUX A3 SOLVAN C1-LT 135/49 E TRILUX A4 5801 IGUZZINI A5 OPAL 54 SEAE Tabela A. 3 - Dados das lâmpadas presentes na escola 93 A.5 - Fatura energética Figura A. 3: Dados de Contrato e Faturação