Livro Eco_Lógicas 2009 by Instituto ideal

PatrocĂnio

Eco_Lógicas Concurso Nacional de Monografias Energias Renováveis e Eficiência Energética

Trabalhos Selecionados

Florianópolis 2009

Ficha catalográfica I59e Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina (IDEAL). Concurso Nacional de Monografias Energias Renováveis e Eficiência Energética - Trabalhos Selecionados. Eco_Lógicas: renovar é pensar diferente. IDEAL. Florianópolis: Insular, 2009. 236 p. ISBN 978-85-7474-493-3 1. Energia. 2. Energia renovável. 3. Eficiência energética. I. Título CDD 333.79

Editora Insular Ltda. Rodovia João Paulo, 226 – Bairro João Paulo CEP 88030-300 – Florianópolis/SC Fone/fax: 48-3232-9591 / 48-3334 2729 editora@insular.com.br – www.insular.com.br Filiada à CCL – Câmara Catarinense do Livro

EDITORES Dr. Ricardo Rüther Dr. Samuel Luna de Abreu

COMISSÃO JULGADORA Dra. Ana Lígia Papst – Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL Dr. Alexandre Kupka da Silva – University of Texas at Austin Dr. Fernando Henrique Milanez – Universidade Federal de Santa Catarina/ LEPTEN Dr. Johannes Kissel – GTZ (Empresa de Cooperação Técnica da Alemanha) Dr. Joaquim Manoel Gonçalves – Instituto Federal de Santa Catarina Ludmilla Diniz – GTZ Dr. Martin Ordenes – Universidade Federal de Santa Catarina/LABEEE Dr. Marcos Teixeira – GTZ Dr. Paulo Couto – Universidade Federal do Rio de Janeiro Pedro Campos – GTZ Dr. Samuel Luna Abreu – Instituto Federal de Santa Catarina Dra. Solange Goulart – Universidade Federal de Santa Catarina/LABEEE Dr. Thomaz Penteado de Freitas Borges – Universidade Federal de Santa Catarina/ LEPTEN

COMISSÃO ORGANIZADORA Alessandra Mathyas Fátima Martins Mauro Passos

PRODUÇÃO EDITORIAL Quorum Comunicação Coordenação: Gastão Cassel Direção de arte: Audrey Schmitz Schveitzer Tratamento de imagens e diagramação: Cainã Margarida Nunes Impressão: Alternativa Gráfica

APRESENTAÇÃO

>>> O ano de 2009 foi para o Instituto IDEAL um marco. Primeiro porque alguns de nossos projetos, como a proposta para os Estádios Solares para a Copa do Mundo de 2014, estão saindo do campo das idéias e se consolidando como propostas viáveis e sustentáveis. Em segundo lugar, estamos pautando a importância das energias renováveis em nosso país e continente, sobretudo com a necessidade de conter as mudanças climáticas e trabalharmos não só na mitigação como na adaptação à vida depois de tanta interferência humana na natureza. E por fim, porque estamos percebendo o crescente interesse dos estudantes em buscar alternativas energéticas sustentáveis. Não tenho mais dúvidas de que a geração que está se formando hoje em nossas universidades e centros de pesquisa tem a consciência preservacionista e visionária que faltou às gerações passadas, as quais estas tinham o desenvolvimento como única meta para inclusão social e econômica. Sustentabilidade é a palavra de ordem do século XXI. E as energias de fontes renováveis são sustentáveis por princípio, por existência. Assim, fomentar no nosso país a realização de pesquisas nessa área é para o Instituto IDEAL uma orientação estatutária e moral. Neste ano, após o sucesso da realização do projeto piloto em Santa Catarina, partimos para o desafio de ampliar o Concurso Eco_Lógicas para o país. E conseguimos, com o apoio fundamental da Eletrobrás e da Tractebel Energia. Registramos a inscrição de pesquisadores das principais instituições de ensino superior do Brasil, de Norte a Sul. A qualidade dos textos apresentados levou-nos a selecionar 11 e não dez monografias, como prevíamos. Todas estão publicadas neste livro, que visa contribuir com a bibliografia sobre a energia limpa e servir como uma amostra do imenso potencial científico das universidades brasileiras. Os trabalhos foram avaliados de acordo com a adequação, relevância e originalidade, clareza, qualidade do método, das fontes de dados, da bibliografia e da contribuição para a sociedade. Seguem os rigores da metodologia científica apontando para alternativas viáveis de produção de energia. Com a publicação deste livro concluímos esta edição do Concurso Eco_Lógicas Nacional. Mas para nós ele não é apenas parte de um projeto. No ano em que o mundo voltou a discutir intensamente as conseqüências das mudanças climáticas e que as energias renováveis registraram aumento na sua capacidade instalada, mesmo com a crise econômica, esta obra é nossa demonstração de aposta no futuro, com profissionais conscientes e preparados para os empregos verdes que século XXI demandará.

Boa leitura! MAURO PASSOS Presidente

SUMÁRIO

Evelise Leite Didoné – Arquitetura/UFSC | A influência da luz natural na avaliação da eficiência energética de edifícios contemporâneos de escritórios em Florianópolis/SC (1° lugar) >>> 11 Marina Vasconcelos Santana – Engenharia Civil/UFSC | Influência de parâmetros construtivos no consumo de energia de edifícios de escritório localizados em Florianópolis/SC (2° lugar) >>> 29 Iara Gonçalves dos Santos – Arquitetura/UFMG | Análise de envoltória e do sistema de iluminação a partir do “regulamento técnico da qualidade para eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos”: estudo de caso (3° lugar) >>> 61 Conrado Augustur de Melo – Engenharia Mecânica/Unicamp | Índices mínimos de eficiência energética para equipamentos elétricos de uso residencial no Brasil (4° lugar) >>> 81 Ana Maria Abrahão Nicoletti – Arquitetura/UNB | Subsídios para diretrizes em eficiência energética de um Ministério da Esplanada : retrofit da envoltória (5° lugar) >>> 101 Bruno Lopes de Faria – Engenharia Agrícola/UFV |Modelagem do potencial eólico do nordeste brasileiro sob condições atuais e de aquecimento global >>> 123 Clarissa Debiazi Zomer – Engenharia Civil/UFSC | O sol: caminho para a sustentabilidade energética de uma casa-contêiner >>> 135 Felipe Jucá Maciel – Engenharia Civil/UFPE | Geração de biogás e energia em aterro experimental de resíduos sólidos urbanos >>> 155 Herculano Xavier da Silva Junior – Engenharia Mecânica/Unicamp | Metodologia de rotulagem ambiental no Brasil: Identificação, classificação e seleção, por critérios ambientais e socioeconômicos dos refrigeradores residenciais >>> 177 Manfred Georg Kratzenberg – Engenharia Mecânica/UFSC | Qualificação de sistemas de aquecimento solar através da simulação do desempenho >>> 199

Mauro Francisco Chavez Rodriguez – Planejamento de Sistemas Energéticos/Unicamp – Gerenciamento de colheita dos resíduos da cana-de-açúcar para geração e venda de eletricidade >>> 217

>>> A INFLUÊNCIA DA LUZ NATURAL NA AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS CONTEMPORÂNEOS DE ESCRITÓRIOS EM FLORIANÓPOLIS/SC Evelise Leite Didoné

RESUMO Muitas edificações desperdiçam relevantes oportunidades de poupar energia, por não considerar os importantes avanços ocorridos na área de eficiência energética. Em edificações não residenciais, a luz natural é de grande importância por estar fartamente disponível no horário de uso dessas edificações. Entretanto, a iluminação artificial dos ambientes é responsável por grande parte do consumo de energia. O uso da luz natural, além de garantir níveis de iluminação adequados para as atividades humanas, reduz a necessidade do uso da luz artificial, que, em conjunto com um controle de sistemas de iluminação eficiente e a influência das aberturas e dos equipamentos, interfere nos ganhos térmicos da edificação e no consumo total de energia. Este trabalho tem como objetivo avaliar a eficiência energética considerando o aproveitamento da luz natural para a redução do consumo energético de edificações não residenciais. A metodologia foi baseada na avaliação e comparação do desempenho luminoso e energético de modelos com diferentes variáveis, através da simulação computacional integrada com o uso dos softwares Daysim e EnergyPlus. Os resultados mostraram que, com os valores de Daylight Autonomy (DA), é possível identificar a porcentagem de área que apresenta determinada autonomia da luz natural e o consumo com iluminação artificial necessário para complementar a iluminância estipulada para o período de ocupação. O impacto do aproveitamento da luz natural no consumo energético total pode ser avaliado através das simulações integradas. O uso do controle do sistema de iluminação artificial, diante do aproveitamento da luz natural, proporcionou uma redução no consumo de energia com iluminação, além de influenciar o comportamento do ar condicionado. Este trabalho mostra um caminho para a inclusão da iluminação natural na avaliação da eficiência energética de edificações. PALAVRAS-CHAVE: Arquitetura. Eficiência energética. Iluminação natural.

ABSTRACT Most buildings waste excellent chances to save energy, by not considering important advances occurred in energy efficiency area. In non-residential buildings, daylighting is very important for being available at the time of use of these buildings. In the other hand, artificial lighting is responsible for much of the energy consumption. The use of daylighting can provide suitable lighting levels for human activities and reduces the necessity of artificial lighting. This, together with a control of efficient lighting systems, the openings and equipment influence, interferes in the heat gains and the total energy consumption of the building. This study aimed to evaluate the energy efficiency of non-residential buildings, considering the use of natural light to reduce energy consumption caused by lighting. The methodology used, was based on the evaluation and comparison of luminous and energy performance of models with different variables, using computer simulations integrated with Daysim and EnergyPlus. The results obtained showed that with the values of Daylight Autonomy (DA) is possible to identify the percentage of area that has some autonomy of daylight and the consumption of artificial lighting required to complement illuminance set for the period of occupation. The impact of daylighting in total energy consumption could be evaluated through the integrated simulations. A reduction of energy consumption caused by lighting as well as an improvement of air conditioning performance was achieved by the implementation of a control system for artificial lighting that considers daylighting. This work shows a way for the inclusion of daylighting in the energy efficiency evaluation of buildings. KEYWORDS: Architecture. Energy efficiency. Daylighting.

1 INTRODUÇÃO A participação das edificações no consumo total de energia elétrica brasileira vem crescendo ao longo do tempo devido ao acesso cada vez maior da população aos benefícios proporcionados pelas novas tecnologias. Estima-se que 42% da energia elétrica produzida no país seja consumida na construção, operação, manutenção e reciclagem das edificações. Esse consumo é distribuído entre os setores residencial (23%), comercial (11%) e público (8%) (Procel, 2007). No caso de prédios comerciais e públicos, o condicionamento de ar e a iluminação artificial são os grandes responsáveis pelo consumo (MME, 2007).

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Preocupações com o gasto de energia e com o meio ambiente são questões que devem ser pensadas logo na primeira fase de projeto de uma edificação. Principalmente nos edifícios comerciais, tais preocupações não ocorrem, devido à utilização de modelos de edificações provenientes de outros países, como as caixas de vidro, utilizadas indiscriminadamente por seu valor estético, normalmente impróprio ao clima brasileiro. De modo geral, o projeto de edificações no Brasil recebe pouca ou nenhuma atenção quanto ao uso racional de energia. Isso ocorre devido à falta de uma legislação que imponha limites de consumo e da falta de profissionais qualificados para atuar nesse campo multidisciplinar. Nos edifícios de escritórios, os fatores que estão associados ao consumo de energia elétrica são: iluminação, condicionamento de ar e equipamentos. Em Florianópolis, cidade escolhida para o desenvolvimento do estudo, essas edificações geralmente possuem uma construção definida, em geral, formada por edifícios altos, com grandes áreas envidraçadas, permitindo a entrada exagerada dos raios solares, o que superaquece o ambiente interno (Figura 1).

Figura 1 – Fotos de edificações comerciais em Florianópolis/SC: a) Shopping Top Tower; b) Prime Tower. Fonte: Acervo pessoal, 2009.

A ausência da proteção solar externa nas aberturas dos ambientes permite a entrada da radiação solar direta e obriga o uso de protetores internos, como as cortinas e persianas, que tiram do ambiente a iluminação natural e induzem à utilização da iluminação artificial, acarretando um aumento no consumo de energia elétrica. Supõe-se que tais problemas poderiam ser solucionados através de modificações na envoltória e suas aberturas, potencializando o uso da iluminação natural e diminuindo o consumo com energia elétrica.

Além disso, o uso da luz natural nas edificações de escritório pode garantir níveis de iluminação adequados para as atividades humanas e reduzir a necessidade do uso da luz artificial, que, em conjunto com um controle de iluminação artificial eficiente e com a influência das aberturas e dos equipamentos, interfere nos ganhos térmicos da edificação e no consumo total de energia. Vale ressaltar que a luz natural está fartamente disponível no horário de uso das edificações não residenciais (período diurno: matutino e vespertino). Como a luz do dia é extremamente variável, é necessário se aprofundar no conceito das medidas dinâmicas para avaliação da luz natural no interior dos ambientes. Com essas medidas é possível capturar o comportamento que ocorre entre um edifício, seus ocupantes e o clima local, através de uma base anual de dados, promovendo uma maior aproximação do projeto à realidade local (Reinhart et al., 2006). Para isso, existem ferramentas de simulação de iluminação natural que permitem simulações de modelos com geometrias complexas. O Daysim é uma ferramenta de simulação computacional desenvolvida por Reinhart (2006) que calcula o perfil anual de iluminação interna utilizando arquivos climáticos, o mesmo utilizado no EnergyPlus, outro software de simulação de iluminação natural. Os softwares que utilizam o arquivo climático se diferenciam dos outros, por poder predizer a quantidade de luz natural em um ambiente no curso de um ano inteiro. Os softwares de simulação estática apenas simulam sob uma condição de céu determinada. Algumas ferramentas são capazes de fazer uma análise integral entre os sistemas de iluminação natural, refrigeração e aquecimento. O EnergyPlus é uma delas: fornece resultados horários e realiza simulações termoenergéticas, o que permite uma avaliação mais detalhada do desempenho da edificação. No entanto, o EnergyPlus possui algumas limitações no algoritmo do sistema de iluminação natural (Winkelmann e Selkowitz, 1984), o que foi comprovado por Ramos (2008), que verificou uma grande influência do programa no cálculo da iluminação natural, tanto no cálculo da parcela de luz refletida no ambiente como no cálculo das iluminâncias externas que resultaram maiores do que as reais. Em outras palavras, o EnergyPlus superestima a quantidade de luz natural no interior do ambiente e, consequentemente, subestima o consumo de energia elétrica usada na iluminação artificial. Paralelamente a isso, vários trabalhos têm comprovado que o aproveitamento da luz natural é capaz de proporcionar uma significativa economia de energia elétrica gasta em iluminação. Souza (2003) propôs uma metodologia para estimar a potencialidade de aproveitamento da luz natural através da utilização de sistemas automáticos de controle para economia de energia elétrica gasta em iluminação artificial e verificou que as estratégias de controle automático podem reduzir o

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consumo de energia elétrica gasta em iluminação, chegando a atingir um potencial de aproveitamento da luz natural máximo de 87%. Por outro lado, Carlo (2008) elaborou uma metodologia de avaliação da eficiência energética da envoltória de edificações, que serviu de base para a concepção da certificação de eficiência energética brasileira para edificações não residenciais. O trabalho não abordou a questão do potencial do uso da iluminação natural e seu impacto na redução do consumo de energia elétrica, mas reconheceu sua importância na lista de sugestões de trabalhos futuros. Assim, o Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ)¹ abrange apenas três aspectos das edificações: sistemas de iluminação artificial, de condicionamento de ar e desempenho da envoltória. Este trabalho tem o objetivo de avaliar a eficiência energética considerando o aproveitamento da luz natural para a redução do consumo energético de edificações não residenciais, através do uso de simulação computacional, integrando os softwares Daysim e EnergyPlus, a fim de suprir as limitações deste último nos cálculos de iluminação natural.

2 METODOLOGIA A metodologia foi baseada na avaliação e comparação do desempenho luminoso e energético de modelos com diferentes variáveis de edifícios de escritórios, através de simulação computacional. As etapas metodológicas utilizadas estão apresentadas na sequência. A primeira etapa se refere aos levantamentos de dados retirados de trabalhos já realizados, das tipologias e usos de edificações não residenciais na cidade de Florianópolis, SC, para definição da tipologia predominante nos edifícios de escritórios, elaboração e construção dos modelos para simulação e escolha das variáveis a serem investigadas através de simulações computacionais. A segunda etapa contém as simulações computacionais necessárias para o andamento do estudo, que foram divididas em três tipos: simulação termoenergética através do software EnergyPlus, utilizando modelos-base, para a comparação com os resultados da simulação integrada; simulação de iluminação natural através do software Daysim, para avaliar o comportamento dinâmico da luz natural e obter os dados energéticos (luz artificial) necessários para a simulação energética integrada; e simulação energética integrada através do software EnergyPlus para a obtenção dos dados referentes ao consumo energético dos modelos analisados, utilizados também no desenvolvimento da correlação numérica. 15

A terceira etapa processa e analisa os resultados obtidos nas simulações, finalizando com o desenvolvimento de uma equação que correlaciona os dados de consumo energético e considera as variáveis mais significativas para o desempenho da luz natural no interior das edificações, a fim de se obter o potencial de aproveitamento da luz natural.

Características do modelo predominante Para a elaboração do modelo predominante de edifícios de escritórios na cidade de Florianópolis, foram levantados dados da literatura e de trabalhos já realizados. Analisaram-se 35 edifícios em relação à caracterização construtiva e 41 escritórios em relação ao padrão de ocupação e uso de equipamentos. Esses dados serviram de base para a elaboração de um modelo representativo da realidade construtiva local, com modelo padrão de 8 m de largura por 25 m de comprimento e pé-direito de 2,70 m. O edifício tem 11 pavimentos, com uma área de 200 m² por pavimento, que corresponde a duas salas e um corredor central (Figura 2). As refletâncias internas dos ambientes, relacionadas com a luz, foram de 70% para teto, 50% para paredes e 20% para o piso. Em relação ao uso de equipamentos e padrão de ocupação, consideraram-se os equipamentos mais comuns apresentados nos levantamentos – aparelhos de ar condicionado, cafeteiras, computadores, fax, lâmpadas, geladeiras, impressoras, ventiladores, filtro d’água e rádio –, que, mediante monitoramentos, apresentaram uma densidade térmica média de 9,7 W/m².

Figura 2 – Visualização do modelo analisado Fonte: Adaptado de Santana (2006)

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O sistema de condicionamento de ar utilizado é composto de um aparelho de janela, que opera durante o horário de uso da edificação (8h às 18h) para manter a temperatura interna entre 18 ºC e 24 ºC. O sistema de condicionamento de ar foi modelado com a etiqueta de eficiência A do Inmetro com um COP (Coefficient of Performance) para resfriamento de 3,19 W/W, dimensionado de acordo com a área do protótipo em estudo. O sistema de iluminação artificial foi definido a partir de um projeto luminotécnico de iluminação geral. Os ambientes são compostos de luminárias de embutir de alta eficiência e de aletas metálicas que impedem o ofuscamento. Cada luminária contém 2 lâmpadas fluorescentes tubulares T5 de 28 W, que proporcionam uma densidade de potência instalada de 7 W/m². No controle da iluminação artificial foi utilizado um sistema automático dimmerizável para garantir que a iluminação artificial seja diminuída ou desligada quando a luz natural alcançar os níveis de iluminação desejados. A iluminância de projeto foi adotada conforme os fatores determinantes para as atividades de escritório, ou seja, iluminância de 500 lux. Em relação ao padrão de ocupação, os períodos com ocupação mais intensa são das 8h às 12h e das 14h às 18h. Isso ocorre devido ao horário de almoço e horários que comumente não possuem expediente; portanto, adotou-se nas simulações, o período de 8h às 18h.

Modelos para simulações Foram modeladas e simuladas diferentes salas de escritório, representadas por um paralelepípedo ortogonal dividido em piso, paredes e teto, com a fachada frontal medindo 8 m de largura, e a profundidade variando em 4 m, 8 m e 16 m. Todos os modelos possuem pé-direito de 2,70 m, com exceção do modelo 4, que também foi avaliado com pé-direito de 3,50 m, para um estudo da influência da altura ambiente na distribuição da luz natural. Os modelos foram avaliados nas quatro orientações cardeais: norte (0º), leste (90º), sul (180º) e oeste (270º), e, para uma análise do comportamento da luz natural, o entorno não foi levado em consideração. Na sequência estão descritos os modelos utilizados nas simulações e suas diferentes variáveis.

a) Modelos paramétricos Os modelos com diferentes variáveis têm a finalidade de formar um conjunto de dados com diversas combinações de parâmetros construtivos que interferem no comportamento da luz natural. Diante dos resultados obtidos com as simu17

lações, foi possível estabelecer quais são os parâmetros mais adequados para a economia de energia a partir do aproveitamento da luz natural. Nas duas tabelas abaixo estão sintetizadas as características dos modelos simulados com suas respectivas variações. Foram construídos e avaliados 72 modelos com diferentes variáveis, totalizando 576 simulações: 288 simulações no Daysim e 288 simulações no EnergyPlus. Tabela 1 – Modelos com o pé-direito de 2,70 m Modelos

Profundidade (m)

PAF %

Proteção solar AHS AVS (graus) (graus)

Orientação

Norte Sul Leste Oeste PAF = porcentagem de abertura na fachada; FA = fator solar; AVS = ângulo vertical de sombreamento; e AHS = ângulo horizontal de sombreamento Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3

4m 8m 16 m

25% 50% 75%

0 45 0

0,82 0,23

0 0 45

Tabela 2 – Modelo com o pé-direito de 3,50 m Modelos

Modelo 4

Área de abertura (m²)

5,40 m² 10,80 m² 16,20 m²

0,82 0,23

Proteção solar AHS AVS (graus) (graus) 0 45 0

0 0 45

Orientação Norte Sul Leste Oeste

PAF = porcentagem de abertura na fachada; FA = fator solar; AVS = ângulo vertical de sombreamento; e AHS = ângulo horizontal de sombreamento

b) Modelos-base Os modelos-base serviram de referência para as análises dos resultados das simulações dos modelos paramétricos. Optou-se por um protótipo que representasse uma baixa eficiência no uso da luz natural, com características que induzissem uma baixa eficiência energética na edificação. O modelo apresenta um sistema de iluminação artificial ligado durante todo o período de ocupação, sem sensores fotoelétricos dimmerizáveis, o PAF de 75%, e FS de 0,82. Foi construído um modelo-base para cada um dos quatro modelos em estudo.

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c) Plano de análise Para a avaliação da medida dinâmica do Daylight Autonomy (DA) no plano de trabalho, as simulações foram realizadas em uma quantidade de pontos suficiente para caracterizar um plano de análise. O ambiente interno foi dividido em áreas iguais, formando uma malha onde as medidas são dadas no centro de cada área. A malha de pontos é uma superfície horizontal situada a 75 cm de altura do piso, com os pontos distanciados 1,33 m entre si e 0,67 m da parede (Figura 3).

(a) Malha para o modelo 1

(b) Malha para o modelo 2 e 4

Simulações Computacionais As simulações foram divididas em três etapas. Primeiramente, realizou-se a simulação termoenergética com os modelos-base, utilizando o software EnergyPlus; em seguida, a simulação de iluminação natural nos modelos paramétricos, através do software Daysim; e para finalizar, a simulação integrada, para a obtenção dos dados de consumo energético total no EnergyPlus, inserindo o controle do sistema de iluminação obtido no Daysim. Neste trabalho, adotou-se como dado de entrada o arquivo climático TRY (Test Reference Year) de referência para a cidade de Florianópolis, SC, disponibilizado no site do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (LabEEE) da Universidade Federal de Santa Catarina (http://www.labeee.ufsc.br).

Modelo de regressão múltiplo Para a elaboração do modelo de regressão, utilizou-se o software SPSS 16.0, o qual permite desenvolver um indicador de consumo (IC) para avaliar a eficiência energética da edificação com a influência da luz natural. Os dados utilizados foram obtidos na simulação computacional integrada, que forneceu dados do consumo de energia para os modelos. Esses dados foram analisados pelo software, gerando uma equação que relacionou as seis variáveis em estudo e permitiu a elaboração de um indicador de eficiência energética com o uso da iluminação natural em edificações. O modelo de regressão multivariada envolve situações em que há mais de um regressor. O programa fornece as estatísticas de uma reta usando o método dos mínimos quadrados para obter uma equação linear que ajuste os dados, retornando uma matriz que a descreve. A relação que pode descrever esse modelo é: y = β0 + β1X1 + β2X2 + ... + є

(1)

Os valores de β são coeficientes que correspondem a cada valor de x, e є é um valor constante, que pode ser igual a zero. A tendência linear de y das seis variáveis x inseridas pode ser descrita como: o y corresponde ao consumo de energia elétrica; o x corresponde às variáveis consideradas relevantes para o aproveitamento da luz natural no desempenho energético de edificações; e o n corresponde ao número de variáveis x utilizadas na equação.

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3 DESENVOLVIMENTO Comportamento da luz natural Os modelos elaborados para o estudo do comportamento da luz natural obtiveram diferentes resultados de DA, de acordo com as variáveis geométricas utilizadas nem sua composição. De forma geral, em relação às variáveis relacionadas à abertura, os modelos orientados para norte, sem proteção solar, com PAF de 75% e FS de 82%, foram os que obtiveram maiores valores de DA em uma maior porcentagem de área. Os modelos orientados para sul, com brise horizontal (AVS), PAF de 25% e FS de 23%, apresentaram os menores valores de DA por porcentagem de área. A Tabela 3 ilustra uma síntese dos resultados dos modelos em relação à profundidade e à altura. Os gráficos isoDA (Iso Daylight Autonomy) possuem duas marcações: a marcação vermelha corresponde à porcentagem de área do modelo, com valores entre 10% e 100% de DA, e a marcação azul corresponde à porcentagem de área com valores entre 0% e 9% de DA. De acordo com os gráficos, pode-se observar que, conforme a profundidade aumenta, a porcentagem de área com altos valores de DA diminui, como pode ser visto no Modelo 1, com profundidade de 4 m, que possui 100% de sua área com autonomia da luz natural. Já o Modelo 3, com profundidade de 16 m, possui apenas 35% de sua área com autonomia da luz natural. O mesmo pode ser constatado em relação à altura. O aumento do pé-direito elevou em 26% a porcentagem de área com autonomia da luz natural, permitindo que o ambiente tivesse 100% de sua área com DA. Para esta análise foram comparados os resultados adquiridos pelo modelobase, que possui iluminação artificial ligada durante todo o período de ocupação; pelos modelos simulados com sistema de controle de iluminação do EnergyPlus,² que simula a luz natural pelo método split flux e pelo método da radiosidade; e pelos modelos simulados com o sistema de controle de iluminação do Daysim, que utiliza o método ray-trace para simular a iluminação natural. Ambos os softwares levam em consideração o uso da luz natural no consumo de energia (Figura 4). O uso do controle de iluminação, nas simulações com o EnergyPlus e com o Daysim, proporcionou uma redução do consumo, já que os ganhos internos provenientes da iluminação artificial diminuíram. O consumo com ar-condicionado apresentou valores elevados nos modelos-base (MBase). O ar-condicionado se refere apenas ao resfriamento do ambiente. O consumo com aquecimento apresentou valores de no máximo 12 kWh/ano. Decidiu-se por não incluir o aquecimento nas análises. O baixo consumo com aquecimento para o clima de Florianópolis foi consequência do calor gerado pelos equipamentos e usuários no período de ocupação. Por se tratar de ambientes de trabalho, as cargas internas foram altas e suficientes para aquecer o ambiente no inverno. 21

Tabela 3 – Síntese dos modelos com diferentes variáveis e alturas

Simulação termoenergética versus Simulação integrada

Figura 4 – Consumo energético simulado por diferentes métodos – modelos orientados para norte

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Os dois tipos de controle simulados no EnergyPlus, pelo método da radiosidade e pelo método split flux, apresentaram valores semelhantes e próximos de 1 kWh/ m²/ano, o que corresponde a mais de 94% na redução do consumo com iluminação artificial quando comparado ao MBase, com exceção do Modelo 3, que, pelo método da radiosidade, obteve um consumo de 8,1 kWh/m²/ano, uma redução de 68% no consumo de energia em relação ao MBase. Já o consumo com iluminação obtido pelo Daysim apresentou uma redução de aproximadamente 50% em relação ao MBase. Dependendo da profundidade do ambiente, o Daysim pode apresentar valores no consumo com iluminação 10 vezes maior do que o EnergyPlus. Esses dados comprovam as restrições do EnergyPlus para a simulação de iluminação natural. O uso da simulação integrada é uma alternativa para contornar esse problema, já que a integração dos valores de iluminação natural obtidos pelo Daysim junto com a simulação energética do EnergyPlus apresentaram resultados mais autênticos. Para se alcançarem elevadas taxas de redução da iluminação artificial, é necessário ter iluminação natural atendendo ao nível de iluminância mínimo na maior parte do tempo e na maior área do ambiente. Esses resultados podem ser observados na seção anterior, em que foram apresentados os dados de DA obtidos com as simulações de iluminação natural pelo Daysim, que possibilitou constatar o potencial de economia em iluminação através da disponibilidade da luz natural.

Influência da luz natural no consumo de energia Todas as simulações têm como referência comparativa os resultados do MBase, que considera a iluminação artificial ligada durante todo o período de ocupação. Os resultados estão apresentados em gráficos formados por colunas e linhas. As colunas representam os valores de consumo obtido com as simulações integradas dos modelos com diferentes parâmetros (vermelho – ar-condicionado; e azul – iluminação), e as linhas representam os valores de consumo obtidos com as simulações termoenergéticas para os modelos-base de cada grupo de modelo (roxo – ar-condicionado; e verde – iluminação). Na análise do consumo energético referente ao sistema de iluminação artificial, percebe-se, nos modelos em estudo, que o consumo com iluminação está diretamente relacionado à profundidade do ambiente: quanto menor a profundidade da sala, ou seja, a distância entre a janela e os fundos do ambiente, maior é a quantidade de área atingida pela luz natural e menor é o consumo com luz artificial. Todos os casos do Modelo 3, com profundidade de 16 m, apresentam luz natural apenas na região próximo à abertura. Isso faz com que mais de 50% da área do ambiente necessite da iluminação artificial ligada durante todo o perí23

odo de ocupação para atingir a iluminância de projeto determinada. Em relação à altura do ambiente, os resultados foram semelhantes em quase todos os casos. A sala com menor pé-direito proporciona uma maior redução no consumo apenas nos casos sem proteção solar.

Figura 5 – Casos do Modelo 1 orientados para Figura 6 – Casos do Modelo 2 orientados para norte norte

Figura 7 – Casos do Modelo 3 orientados para norte

Figura 8 – Casos do Modelo 4 orientados para norte

A redução do consumo com iluminação, pelo aproveitamento da luz natural, influencia positivamente o comportamento do ar-condicionado, que apresenta um menor consumo de energia, devido à redução das cargas internas provenientes do sistema de iluminação artificial. Isso acontece em todas as orientações e pode ser observado quando se compara com o MBase: quanto menor é o consumo com iluminação artificial, menor é o consumo com ar-condicionado. Na análise dos diferentes modelos avaliados, observou-se que todos os modelos com o PAF de 75%, com FS de 82% e sem proteção solar apresentaram o menor consumo com iluminação artificial, porém maior consumo com ar-condicionado. Esses casos apresentam os maiores valores de DA por porcentagem de área e, consequentemente, um maior ganho de carga térmica proveniente da radiação solar, devido aos materiais utilizados e à ausência de proteção solar.

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Relação de Daylight Autonomy com o consumo de energia para iluminação artificial A influência da luz natural no consumo de energia também pode ser observada por meio da medida dinâmica da luz natural, Daylight Autonomy (DA). A figura a seguir apresenta a relação de DA com o consumo de energia de iluminação artificial. O gráfico contém no eixo das ordenadas os valores de consumo e, no eixo das abscissas, os valores de DA médio, obtidos através da soma de todos os pontos do grid no plano de análise dividida pelo número de pontos. Pode-se observar que, quanto maior o DA, menor o consumo com iluminação artificial. Grande parte dos casos se concentra na faixa entre 0% e 20% de DA, resultado dos casos do Modelo 2 e do Modelo 3, que, por serem profundos, possuem poucas ou nenhuma hora do ano, atingindo os 500 lux da iluminância de projeto. Esses baixos valores de DA proporcionam um consumo com iluminação artificial que varia aproximadamente entre 15 kWh/m²/ano e 20 kWh/m²/ano. Já um alto valor de DA pode reduzir o consumo para menos de 10 kWh/m²/ano.

Figura 9 – Relação de DA médio com o consumo de energia de iluminação artificial

Desenvolvimento da equação para avaliação da eficiência Para a avaliação da eficiência energética focando o consumo de energia, foram considerados 216 casos das alternativas simuladas. Consideraram-se os casos do Modelo 1, Modelo 2 e Modelo 3, por possuírem as mesmas variáveis: profundidade, orientação, PAF, FA, AVS e AHS. Para a obtenção da equação de regressão multivariada, algumas etapas foram percorridas. Após o ajuste, a equação obtida adquiriu os coeficientes de correlação (r) e de determinação (r²), respectivamente, 0,89 e 0,8028, sendo a equação final resultante obtida a partir de 205 casos (Equação 2). 25

ICRLuzNatR = 78,090 + 4,187 x PAF/PROF + 27,779 x FS x PAF – 9,510 x PAF x AVS x FS/PROF – 4,384 x PAF x AHS x FS/PROF – 26,188 x PAF x AVS x FS – 28,795 x PAF x AHS x FS , (2) onde: ICRLuzNatR = indicador de consumo com o uso da luz natural [kWh/m²/ano]; PAF = porcentagem de abertura na fachada [%]; AVS = ângulo vertical de sombreamento [grau]; AHS = ângulo horizontal de sombreamento [grau]; FS = fator solar [%]; e PROF = profundidade [razão (PROF/20)]. Após a obtenção da equação final e da análise de seus coeficientes, os valores do desvio padrão e do teste t também foram obtidos. Os dados avaliados resultaram em um desvio padrão de 2,90, e o teste t mostrou que as médias das amostras simuladas e equacionadas são consideradas iguais. Utilizando-se as variâncias referentes a cada coeficiente adotado na equação, o t calculado foi de 90,85.

Figura 10 – Consumo anual de energia simulado x equacionado para edificações

A Figura 10 apresenta os consumos anuais simulados versus o consumo produzido pela equação. Os dados-fonte para desenvolvimento da equação apresentaram consumos concentrados entre 80 kWh/m² e 120 kWh/m², sendo os três pontos mais afastados correspondentes a salas do Modelo 1, com menor área, PAF de 75%, FS de 0,82, sem proteção solar. Vale ressaltar que o consumo não é influenciado apenas pelas variáveis arquitetônicas utilizadas nas simulações. Os parâmetros já padronizados, como eficiência do ar-condicionado, densidade de carga interna e padrão de uso, também interferem no consumo da edificação. Esses dados foram fixados e tidos como constantes, a fim de não intervirem no consumo, já que o trabalho pretende avaliar o aproveitamento da luz natural na redução do consumo energético de edificações não residenciais. 26

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4 CONCLUSÃO Com a avaliação do comportamento da luz natural através da medida dinâmica, Daylight Autonomy (DA), foi possível identificar as diferenças nos resultados da iluminação natural entre os modelos com diferentes características. Os valores de DA permitiram identificar a porcentagem de área que apresenta determinada autonomia da luz natural e o consumo com iluminação artificial necessário para complementar a iluminância estipulada para o período de ocupação (neste estudo, de 500 lux). O aproveitamento da luz natural proporcionou uma redução de 20% a 62% no consumo de energia com iluminação artificial. O impacto do aproveitamento da luz natural no consumo energético total pode ser avaliado por meio das simulações integradas. A análise foi realizada essencialmente pelo consumo de energia com ar-condicionado e iluminação artificial. O consumo com equipamentos foi constante para todos os modelos, não interferindo nas análises. O uso do controle do sistema de iluminação artificial, diante do aproveitamento da luz natural, proporcionou uma redução no consumo de energia com iluminação em todos os modelos e influenciou o comportamento do ar-condicionado, que teve seu consumo reduzido devido à diminuição das cargas internas provenientes do sistema de iluminação artificial. A redução obtida no consumo final variou de 12% a 52%. Com o modelo de regressão multivariada, foi possível obter uma equação para o indicador de consumo (IC), considerando o aproveitamento da luz natural. A equação do IC englobou cinco variáveis: profundidade do ambiente, percentual de abertura na fachada (PAF), fator solar (FS) do vidro e os ângulos de sombreamento, AVS e AHS. A variável orientação foi excluída da equação por não contribuir significativamente para o modelo. A avaliação através da equação é limitada, já que poucas amostras foram simuladas para sua elaboração. A equação do IC é uma ferramenta desenvolvida para ser utilizada na avaliação de edificações ainda na fase de projeto. A aplicação da ferramenta pode ajudar o arquiteto a definir melhor o partido arquitetônico e os elementos geométricos da envoltória, já que a equação permite estimar o consumo de energia elétrica gasto com iluminação artificial decorrente do aproveitamento do uso da luz natural. Os elementos do sistema de iluminação natural podem ser inseridos na equação e avaliados em conjunto ou separadamente. Além disso, a equação pode ser introduzida em algum aplicativo computacional que facilite e agilize seu manuseio. Espera-se que este trabalho possa contribuir com informações acerca do desempenho luminoso e energético e servir de subsídio para a inclusão da iluminação natural na avaliação da eficiência energética de edificações não residenciais. 27

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CARLO, JC. Desenvolvimento de metodologia de avaliação da eficiência energética da envoltória de edificações não residenciais. Tese em Engenharia Civil, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008. MME – MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional. 2007. http://www.mme.gov.br, 2 jun. 2008. PROCEL – PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Áreas de atuação: edificações. http://www.eletrobras.gov.br/procel, 10 jul. 2007. RAMOS, G. Análise da iluminação natural calculada por meio do programa Energyplus. Dissertação em Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008. REINHART, CF. Tutorial on the use of daysim simulations for sustainable design. Institute for Research in Construction National Research Council Canada. Canada, 2006. REINHART, CF; MARDALJEVIC, J; ROGERS, Z. Dynamic daylight performance metrics for sustainable building design. NRCC-48669. 2006. SANTANA, MV. Influência de parâmetros construtivos no consumo de energia de edifícios de escritório localizados em Florianópolis – SC. Dissertação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2006. SOUZA, MB. Potencialidade de aproveitamento da luz natural através da utilização de sistemas automáticos de controle para economia de energia elétrica. Tese em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2003. WINKELMANN, F; SELKWITZ, S. Daylighting simulation in the DOE-2 building energy analysis program. Energy and Buildings, v. 8, p. 271-286, 1984.

NOTAS 1 O Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos representa uma ação lançada pela Eletrobrás através do programa Procel Edifica e aprovada pelo Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética (CGIEE) em setembro de 2008, que visa qualificar e quantificar o consumo de energia elétrica nas edificações. 2 A iluminação natural pode ser simulada no EnergyPlus por dois diferentes métodos: o método split flux, pelo comando Daylighting: Controls; e o método da radiosidade, pelo comando DElight.

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>>> INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS CONSTRUTIVOS NO CONSUMO DE ENERGIA DE EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIO LOCALIZADOS EM FLORIANÓPOLIS/SC Marina Vasconcelos Santana

RESUMO Este trabalho avalia a influência de parâmetros construtivos no consumo de energia em edifícios de escritório. Essa avaliação foi realizada mediante simulações computacionais utilizando o programa EnergyPlus. Para tal análise, foi modelado um edifício de escritório com características construtivas predominantes em edificações do centro da cidade de Florianópolis e simulado com os dados climáticos dessa cidade. Os parâmetros considerados foram os ângulos horizontal e vertical de sombreamento, o entorno, o fator solar dos vidros, o percentual de área de janela na fachada, a transmitância térmica dos materiais, a absortância dos materiais e a orientação da edificação. Dessa forma, foram realizadas alterações de cada parâmetro construtivo, enquanto outras características mantiveram-se constantes. Assim, avaliou-se a resposta no consumo de energia, e os resultados foram comparados entre si. A cada variação de 10% do percentual de área de janela na fachada, o consumo de energia aumentou em 2,9%. Para a absortância das paredes externas, cada variação de 10% implicou o aumento de 1,9% do consumo de energia. Entretanto, ao se analisar a carga de resfriamento relacionada à transmitância térmica e à absortância do pavimento de cobertura, observaram-se variações significativas. Ao se aumentar a transmitância térmica da cobertura em 10%, observou-se o aumento da carga de resfriamento em 8%; para a absortância da cobertura, a cada acréscimo de 10%, a carga de resfriamento aumentou em 14%. A simulação dos casos permitiu identificar a influência desses parâmetros da edificação no consumo de energia, auxiliando nas decisões mais adequadas ao clima em estudo, a fim de garantir melhores níveis de eficiência energética. PALAVRAS-CHAVE: Parâmetros Simulação computacional.

construtivos.

Eficiência

energética.

ABSTRACT The main objective of this paper is to analyze office buildings located in Florianópolis – Brazil, evaluating the influence of construction parameters on their energy consumption using the EnergyPlus computer programme. Thus, a methodology for surveying building parameters to verify the most used characteristics in office buildings in Florianópolis was developed. Based on the collected data, a representative model was developed and used as the base-case for the computer simulations. Alterations in construction parameters were carried out in order to evaluate their influence on the energy consumption. The parameters considered were the horizontal and vertical shading angle, the building surroundings, the solar heat gain factor of glasses (SHGF), the window to wall ratio (WWR), the thermal transmittance (U-value) of components, the absorptance of surfaces and the solar orientation of the building. The analysis was divided in two groups: envelope and HVAC efficiency. For the envelope, by increasing the WWR by an increment of 10%, the annual energy consumption increased by 2.9%. Regarding the external walls absorptance, an increment of 10% implied an increase of 1.9% on the energy consumption. However, by analysing the cooling load related to the roof thermal transmittance and the absorptance of the roof tiles, significant variations were observed on the top floor. By increasing the roof thermal transmittance in 10%, an increase of 8% on the cooling load was observed on the top floor; and by increasing the absorptance of the roof tiles in 10%, an increase of 14% on the cooling load was observed. Results helped identify the influence of construction parameters on the energy consumption of office buildings, as well as the decisionmaking by providing appropriate measures according to the climate to guarantee better levels of energy efficiency. KEYWORDS: Construction parameters. Energy efficiency. Computer simulation.

1 INTRODUÇÃO A correta escolha de parâmetros construtivos dá ensejo à eficiência energética e, consequentemente, à economia de energia e à redução dos impactos ambientais. Ünver et al. (2004) e Oral et al. (2004) desenvolveram métodos que abordam a otimização do desempenho de edificações na Turquia, em função de elementos que compõem o envelope construtivo. Yang et al. (2008) criaram envelopes genéricos de edificações na China, considerando zonas diferenciadas, e apresentaram o desempenho térmico e energético de cada envelope. 30

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Um dos parâmetros mais significativos no consumo de energia está relacionado à abertura de janela. Segundo Ghisi e Tinker (2005), grandes áreas de janela têm a inconveniência de permitir ganhos ou perdas excessivas de calor. Logo, para amenizar o desconforto, torna-se mais intenso o uso de sistema de ar condicionado, o que aumenta o consumo de energia. Num estudo realizado em Netherlands, Bokel (2007) concluiu que houve redução na demanda de energia, na ordem de 1.400 kWh/ano, com a utilização da combinação adequada de posição, tamanho, forma e sistemas de abertura. Ademais, Lam (2000) verificou que os ganhos de calor através da janela representam quase 50% dos ganhos através do envelope da edificação. Estudo das características do envelope de um edifício de apartamentos energeticamente eficiente (Cheung et al., 2005) mostra que, com redução de 30% da absortância à radiação solar, pode-se alcançar redução de 12,6% da carga de resfriamento. Num trabalho realizado em Hong Kong, verificaram-se variações de temperaturas internas de até 12 ºC, de acordo com a absortância à radiação solar utilizada (Cheng e Givoni, 2005). Na Turquia, Oral e Yilmaz (2006) e Aksoy e Inalli (2002) revisaram valoreslimites de transmitância térmica relativamente à forma e à orientação solar de edificações, com o intuito de alcançar conforto térmico e de, consequentemente, conservar energia. Simulação termoenergética é um método vastamente utilizado para analisar a influência dos parâmetros construtivos no consumo de energia (Lam e Hui, 1993). Iqbal et al. (2007) investigaram medidas de conservação de energia em edifícios de escritório na Arábia Saudita, donde concluíram que uma edificação pode reduzir o consumo anual de energia em até 36%. A despeito da realização de estudos objetivando a avaliação dos parâmetros que estão relacionados ao consumo de energia, necessita-se de um diagnóstico acerca da realidade construtiva do Brasil e da utilização de edificações relativamente à eficiência energética. Frequentemente, a falta de conhecimento, aliada à falta de consciência dos profissionais, dá azo a escolhas inadequadas, que não contribuem para a redução do consumo de energia.

2 OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo principal diagnosticar a situação de edifícios de escritório localizados no município de Florianópolis, SC, bem como avaliar a influência de parâmetros construtivos na racionalização do consumo de energia e no incremento da eficiência energética desse tipo de edificação. 31

3 METODOLOGIA O método deste trabalho engloba a análise da influência de parâmetros no consumo de energia em edifícios de escritório, a partir de levantamentos de características construtivas e de levantamentos de ocupação e de uso de equipamentos. De forma geral, consiste em localizar os edifícios de escritório na cidade de Florianópolis; levantar as características predominantes; levantar as atividades profissionais e seus padrões de ocupação e de uso dos equipamentos; monitorar alguns equipamentos utilizados em escritórios; definir uma tipologia predominante; e, finalmente, realizar simulações termoenergéticas do caso-base e das alterações dos parâmetros que envolvem a edificação e que influenciam no desempenho energético dela.

3.1 Levantamento de dados Para a coleta de dados, utilizaram-se os resultados dos trabalhos de Minku (2005) e Moreira (2005), os quais possuem levantamentos necessários à consistência da metodologia deste trabalho.

3.1.1 Levantamento dos edifícios de escritório A etapa inicial da coleta de dados consistiu na obtenção do número de edifícios de escritório particulares, a partir de cinco pavimentos, situados no centro da cidade de Florianópolis. A Secretaria de Urbanismo e Serviços Públicos (SUSP) forneceu o número de edifícios de serviços existentes. A distinção entre edifícios de escritório públicos, particulares e comerciais foi realizada mediante visitas in loco.

3.1.2 Levantamento das tipologias construtivas Analisaram-se 35 edifícios de escritório, dos quais se registraram as principais características, tais como tipologia, localização, profissionais responsáveis, data de ocupação, número de pavimentos, dimensões, áreas, orientações, área de janela por fachada, sistemas de aberturas e elementos de proteção solar, as quais foram generalizadas ao serem transformadas em indicadores para a simulação. Outros dados construtivos, como tipos de cobertura, lajes e paredes, foram obtidos somente de 14 edifícios, devido à dificuldade de encontrar projetos na íntegra. 32

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3.1.3 Orientação solar dos edifícios Determinou-se a posição de cada edificação por meio da orientação solar de sua fachada principal, que se aferiu in loco. Com uma bússola, obteve-se o norte magnético dos edifícios; para o norte verdadeiro, utilizou-se o programa computacional Declinação Magnética 2.0, disponível no site <www.labeee.ufsc.br>. Para definir a orientação das fachadas, determinou-se, para cada ponto cardeal, um limite de abrangência de 22,5º no sentido horário e anti-horário.

3.1.4 Determinação da forma Relativamente à forma, as edificações foram classificadas em retangulares, quadradas e triangulares, mediante aproximação do formato das plantas dos edifícios com as formas citadas.

3.1.5 Elementos de proteção solar Os componentes das fachadas dos edifícios que funcionam como elementos de sombreamento das aberturas, ou partes destas, foram considerados e denominados como elementos de proteção solar. Entretanto, não se verificaram a adequação e a eficiência desses elementos. Mediante registro fotográfico, distinguiram-se os elementos de proteção solar, como brises, de suportes contínuos para aparelhos de ar condicionado.

3.1.6 Levantamento das absortâncias das paredes externas Obtiveram-se as absortâncias das paredes externas dos edifícios por intermédio de medições, in loco, das respectivas refletâncias, as quais foram realizadas com o aparelho portátil ALTA II.

3.1.7 Levantamento das atividades profissionais As atividades profissionais da amostra de edificações foram obtidas com visitas in loco, entrevistas e consultas. Essas atividades foram divididas em modalidades, de acordo com a área de atuação. Tal levantamento serviu para identificar a relevância das atividades e focar as entrevistas para a etapa de obtenção do funcionamento dos escritórios. 33

3.1.8 Levantamento do padrão de ocupação e uso de equipamentos A partir da relevância das atividades profissionais, visitaram-se 41 escritórios, e destes foram obtidos os dados de funcionamento, o tempo de permanência dos usuários, a quantidade de usuários e os dias de ocupação. Para esse trabalho, utilizou-se o padrão de ocupação médio da amostra de escritórios. Registraram-se os horários em que os equipamentos elétricos e o sistema de iluminação foram ligados e desligados. Obtidos os resultados, tornou-se conhecido o uso dos equipamentos, tanto nos dias úteis como nos fins de semana e feriados.

3.1.9 Estimativa da densidade de carga interna de equipamentos Nesta etapa da pesquisa, foram monitorados equipamentos de dois escritórios de advocacia. A partir desse monitoramento, obteve-se a potência total instalada. Assim, apresentou-se um indicador de simulação (densidade de carga interna de equipamentos), que é resultado da razão da potência instalada total pela área do escritório (W/m²). Determinou-se a potência instalada de todos os equipamentos existentes, com exceção de lâmpadas, com o auxílio do medidor de consumo portátil Yokogawa MCP 5000, que forneceu o consumo (kWh), a tensão (V) e a potência (kW) de cada equipamento, em determinado período, estipulado pelo usuário. Para as lâmpadas incandescentes e fluorescentes compactas, adotou-se a potência nominal e, relativamente às lâmpadas fluorescentes tubulares, empregou-se a potência nominal mais 20% de perda pelos reatores. A razão da potência instalada total de iluminação pela área resultou na densidade de carga interna de iluminação.

3.2 Definição da tipologia predominante A tipologia predominante constitui-se em características construtivas e funcionais mais representativas em edifícios de escritório levantadas em Florianópolis. Definida a amostra, analisaram-se a frequência de ocorrência de pavimentostipo e a incidência das formas encontradas. Avaliou-se também a frequência de ocorrência das proporções. Assim, definiram-se as dimensões da tipologia predominante a partir da proporção representativa, juntamente com a área da edificação. À definição da orientação solar da tipologia predominante, analisou-se a frequência de ocorrência das orientações das fachadas principais e das orientações das demais fachadas. Além disso, verificou-se a existência de elementos de proteção solar nas fachadas da amostra de edificações. 34

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A partir dos materiais construtivos que constituem as edificações da amostra, tornaram-se conhecidos alguns indicadores significativos. O valor de fator solar dos vidros foi calculado com base em dados dos componentes obtidos de catálogos de fabricantes e da biblioteca de materiais do programa EnergyPlus. Obtiveram-se os dados de transmitâncias térmicas das paredes e da cobertura e suas respectivas capacidades térmicas do procedimento de cálculo apresentado na ABNT (2005). Os percentuais de área de janela na fachada (PJF) foram limitados por faixas, de 0% a 10%, de 10,1% a 20%, e assim sucessivamente, e analisados por fachada. Para a tipologia predominante, analisou-se a frequência de ocorrências dos PJFs conjuntamente, diferenciando-se somente fachada principal (fachadas dispostas no alinhamento da rua) de fachadas laterais, independentemente da orientação solar. À tipologia predominante, adotou-se o padrão de ocupação médio, obtido do levantamento de funcionamento, permanência e quantidade de usuários, e dias úteis dos 41 escritórios visitados. Obteve-se o padrão de uso dos equipamentos mediante o levantamento de utilização dos equipamentos e do sistema de iluminação das salas monitoradas citadas anteriormente. Obteve-se a densidade de carga interna dos levantamentos in loco, comparada a valores utilizados em trabalhos similares. O total de carga interna é resultado da quantidade de potência de iluminação (W/m²), da densidade de carga de equipamentos (W/m²) e da quantidade de pessoas (pessoas/m²). A taxa metabólica considerada foi de 70 W/m², de acordo com a ISO 7730 (1994), para atividade leve manual realizada em escritórios.

3.3 Simulações termoenergéticas A simulação computacional foi empregada para avaliar o consumo de energia elétrica, por se tratar do método mais simplificado de analisar a influência desse consumo em função das alterações nos parâmetros construtivos. Para os dados de entrada no programa de simulação, utilizaram-se os levantamentos de caracterização construtiva, bem como os padrões de uso e ocupação. Utilizaram-se, ademais, arquivos climáticos de Florianópolis com dados horários desenvolvidos no estudo de Goulart et al. (1998), revistos, tratados e compilados por Carlo (2005). Iniciou-se a simulação termoenergética com a tipologia predominante e, em seguida, simularam-se as alterações de parâmetros. Mediante alteração de um parâmetro por vez, tornou-se conhecido o efeito de cada alteração no consumo de energia da edificação. 35

3.3.1 Fator de projeção Relativamente às simulações das variações dos elementos de proteção solar, foram simulados três casos com brises (ângulos de 45º). Os brises utilizados nas simulações são iguais para as fachadas e dispostos em todas as aberturas da edificação. Foram modeladas placas de 50 cm, distanciadas verticalmente a cada 50 cm. A Figura 1 apresenta os croquis dos casos simulados. As placas foram desenhadas de forma simplificada para a simulação, todas proporcionando a mesma proteção desejada. Com relação aos brises horizontais, ainda foram simulados dois casos, variando os ângulos verticais de sombreamento (ângulos de 25º e 65º).

(a) Brise horizontal (AVS45°)

(b) Brise vertical (AHS45°)

Figura 1 – Características dos casos relacionados ao fator de projeção

3.3.2 Entorno Para a análise das obstruções, comuns no entorno das edificações, foram simulados casos em seis situações distintas. Consideraram-se obstruções que representassem edificações construídas respeitando o afastamento disposto pela Lei Complementar nº 1/97 do Código de Obras de Florianópolis (Figura 2). A altura considerada para as edificações do entorno é idêntica à altura do edifício que representa a tipologia predominante. A Figura 3 apresenta os seis casos que foram simulados para a análise da influência do entorno no consumo de energia do edifício. Os blocos com hachuras representam a tipologia predominante.

Figura 2 – Afastamento adotado pelo Código de Obras de Florianópolis. 36

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(a) obstrução NE

(b) obstrução NO

(d) obstrução SO

(e) obstrução das fachadas

(f) obstrução total

Figura 3 – Casos simulados para a análise do entorno.

3.3.3 Fator solar dos vidros Considerando-se o vidro adotado para a tipologia predominante, foram avaliados outros vidros encontrados no levantamento construtivo das edificações (três casos), levando-se em conta seus respectivos fatores solares (FS).

3.3.4 Percentual de área de janela na fachada Estabeleceram-se faixas de percentagem à análise do consumo de energia relativamente à dimensão das áreas de janela. Foram simulados casos com PJFs iguais para as quatro fachadas, variando de 10% a 100%, em intervalos de 10%, totalizando dez casos.

3.3.5 Transmitâncias térmicas Tendo em mente o valor adotado para as transmitâncias térmicas da cobertura e das paredes do caso-base, foram avaliadas as alterações delas em faixas percentuais de -50%, -25%, 25% e 50%. Para esses casos, não foram mencionados quais os materiais utilizados, apenas os componentes construtivos desses materiais para as transmitâncias desejadas. A transmitância e a capacidade térmica das paredes e da cobertura foram obtidas do procedimento de cálculo apresentado na ABNT (2005). Foram simulados quatro casos alterando as transmitâncias térmicas da cobertura e quatro casos alterando as transmitâncias térmicas das paredes externas. Para o último pavimento, mais sensível às alterações climáticas e construtivas, analisou-se a carga de resfriamento, sabendo-se que cargas maiores de resfriamento implicam consumo maior de energia. 37

3.3.6 Absortâncias das paredes externas Para a análise das absortâncias das paredes externas, realizaram-se simulações de nove casos, com as cores obtidas do levantamento in loco. Contudo, para a cobertura, adotou-se a absortância correspondente à cor do material obtida do levantamento de dados para a tipologia predominante. Para as simulações das alterações, as absortâncias foram adotadas (20%, 40%, 60% e 80%), pois não foram obtidas as cores das coberturas da amostra de edificações. Também realizou-se uma análise da carga de resfriamento somente para o pavimento de cobertura.

3.3.7 Orientação solar Para as simulações dos casos das alterações da orientação solar, foram consideradas as quatro orientações principais: norte (0º), sul (180º), leste (90º) e oeste (–90º). Foram simulados quatro casos, e os resultados, comparados ao obtido do caso-base.

4 RESULTADOS As informações a seguir referem-se aos resultados obtidos dos levantamentos. Inicia-se com a localização e a distribuição dos edifícios na malha urbana central de Florianópolis e prossegue-se com os resultados dos levantamentos que constituem o modelo representativo da realidade construtiva local, ou seja, a tipologia predominante. Também são apresentados os resultados obtidos das simulações propostas na metodologia, tais como a simulação da tipologia predominante e a de suas alterações.

4.1 Caracterização da tipologia

4.1.1 Distribuição e número de edifícios de escritório Foram considerados apenas os edifícios de escritório localizados no centro da cidade de Florianópolis, por ocorrer maior incidência desses edifícios nessa região da cidade, relativamente à distribuição na malha urbana. A Figura 4 apresenta o mapa do Brasil, a localização da cidade em estudo e a distribuição dos 35 edifícios de escritórios privados, dando destaque ao centro de Florianópolis. A data de ocupação desses edifícios varia entre 1974 e 2003. 38

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Figura 4 – Mapa do Brasil, destacando o município de Florianópolis e indicação da distribuição dos edifícios de escritório no centro da cidade.

4.1.2 Número de pavimentos-tipo, forma, proporção e área Houve variação entre 7 e 17 pavimentos dos edifícios de escritório, porém, nesta análise, consideraram-se apenas os pavimentos-tipo. Entre esses, ocorre variação de 5 a 12 pavimentos, sendo a maior incidência de 11 pavimentos, o que representa 28,6% dos edifícios analisados. Relativamente à forma das edificações, foram encontradas 22 retangulares, 8 quadradas, 3 triangulares e 2 irregulares. Das edificações, 90% das formas retangulares possuem suas profundidades iguais ou superiores ao dobro de suas larguras. A primeira ocorrência na análise das proporções corresponde a 32% das edificações com profundidade igual ao triplo da largura. Do número de escritórios existentes nos pavimentos-tipo, 34,2% dos edifícios possuem até 2 escritórios por pavimento. O pé-direito adotado foi de 2,7 m, média aritmética dos valores obtidos do levantamento. A maioria dos edifícios possui área do pavimento-tipo igual ou inferior a 500 m². A primeira ocorrência que corresponde ao intervalo de área de 100 m² a 300 m² representa 57% dos edifícios analisados. Em seguida, representando 37%, encontra-se o intervalo entre 300,1 m² e 500 m².

4.1.3 Orientação das fachadas Para Florianópolis, adotou-se a declinação magnética de 17º30’, resultado obtido do programa computacional Declinação Magnética 2.0. Dos edifícios analisados, 49% possuem fachadas principais voltadas às orientações principais (norte, sul, leste ou oeste) e 51% voltadas às orientações secundárias (nordeste, sudeste, 39

noroeste ou sudoeste). A ocorrência de orientações é bem distribuída, embora a primeira e a segunda ocorrência se destaquem, com 22% para a orientação nordeste e 17% para a orientação sul. Para essa análise, foram contabilizadas 141 fachadas, sendo 23% fachadas principais e 77% fachadas secundárias. O número de fachadas principais é superior ao número de edifícios devido à existência de edificações localizadas em esquinas, que possuem mais de uma fachada principal.

4.1.4 Orientação e área das aberturas No conjunto dos edifícios analisados, observa-se que, independentemente da orientação, 67% deles possuem PJFs maiores nas fachadas principais. Considerando-se as fachadas principais e secundárias conjuntamente, a maioria das edificações apresenta um PJF entre 10,1% e 20%, e 77% das fachadas apresentam PJFs igual ou inferior a 50%. Entre as 41 fachadas, 66% apresentam PJF igual ou inferior a 50%, e 34% possuem PJF na faixa entre 30,1% e 40%. Entre as 99 fachadas secundárias existentes, 80% apresentam o PJF igual ou inferior a 50%, com 28% destas entre 10,1% e 20%. Observa-se, ainda, que não existem fachadas com PJFs superiores a 70%.

4.1.5 Elementos de proteção solar Dos edifícios analisados em Florianópolis, apenas 22,8% da amostra possuem algum tipo de proteção solar, sendo a maioria utilizada para fins estéticos.

4.1.6 Cores dos edifícios de escritório Mediante o levantamento in loco, foi possível obter as cores de 32 edifícios. As cores são variadas, sendo comum a presença de duas cores nas fachadas (41% da amostra). Em 19 casos verificou-se apenas uma cor, representando 59% da amostragem. A partir da média da absortância das cores de mesma tonalidade, observou-se que, entre as 10 existentes, 70% apresentam absortância superior a 50%.

4.1.7 Detalhes construtivos Relativamente ao sistema de abertura, dos 14 edifícios de escritório estudados, 13 possuem janelas do tipo máximo-ar e apenas 1 possui janela de dois 40

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tipos: de correr e máximo-ar. Os sistemas de abertura do tipo máximo-ar permitem ventilação, embora não sejam os mais adequados. Logo, percebe-se que os edifícios de escritório utilizam tanto o ar-condicionado como a ventilação natural, em razão do tipo de abertura encontrado. De acordo com os estudos feitos sobre o tipo de parede utilizada nos edifícios, verificou-se que todos os 14 edifícios possuem paredes externas de tijolo cerâmico. Entre eles, 13 possuem tijolo cerâmico de 6 furos, dos quais 7 possuem a cerâmica assentada no sentido horizontal e 6 no sentido vertical. Apenas um edifício possui tijolo cerâmico de 8 furos. A espessura das paredes analisadas varia de 15 cm a 25 cm, a transmitância térmica varia de 2,02 W/m²K a 2,49 W/m²K, e a capacidade térmica, de 158 kJ/m²K a 200 kJ/m²K (ABNT, 2003). Dos 14 edifícios analisados, 3 possuem vidro fumê float de 6 mm, 2 apresentam vidros do tipo comum de 4 mm e vidro transparente fumê de 4 mm. O restante dos tipos de vidro encontra-se em apenas um edifício, tais como fumê float de 4 mm, laminado prata de 8 mm, película colorida de 8 mm, laminado marrom de 8 mm, vidro laminado de 8 mm, laminado azul de 8 mm e vidro refletivo verde. Os vidros foram agrupados em seis tipos. Entre os 14 edifícios estudados, a telha de fibrocimento foi encontrada em 4 edifícios, enquanto 8 deles possuíam apenas laje. O sistema de cobertura mais encontrado foi o terraço com laje nervurada preenchida com concreto celular, representando 3 dos 14 edifícios. Dois edifícios possuíam lajes treliçadas sob telhados de fibrocimento e 2 possuíam lajes nervuradas preenchidas com tijolo cerâmico. As transmitâncias térmicas das coberturas analisadas variam de 1,93 W/m²K a 2,42 W/m²K, e as capacidades térmicas, de 106 kJ/m²K a 451 kJ/m²K (ABNT, 2003).

4.2 Padrão de ocupação e uso de equipamentos

4.2.1 Atividades profissionais nos edifícios de escritório A atividade de maior participação percentual foi advocacia, representando 18,6% do total das atividades. As seis atividades de maior participação dos edifícios, consideradas conjuntamente, representam 51,4%. A partir do resultado desse levantamento, identificou-se a relevância das atividades e estabeleceu-se o foco sobre as entrevistas de obtenção do funcionamento dos escritórios cujas atividades foram mais representativas.

4.2.2 Padrão de ocupação Neste trabalho, para a tipologia predominante, utilizou-se uma média obtida dos levantamentos de ocupação. A ocupação média (6 usuários por escritório) foi obtida das médias de usuários dos escritórios visitados. Com as entrevistas, pôde-se constatar que cada atividade possui expediente diferenciado, que pode variar no período entre 8h e 20h para os dias úteis. Nos escritórios visitados, não há expediente nos fins de semana e feriados, e a ocupação é diferenciada para cada atividade. O estudo mostrou que 70% dos ocupantes dos escritórios iniciam o expediente às 8h e que 75% finalizam o expediente às 18h. Demonstrou também que o período de intervalo de almoço é muito variado. A Figura 5 apresenta a ocupação média obtida. Observa-se ocupação mais intensa no período das 8h às 12h e das 14h às 18h. Os demais períodos possuem uma ocupação reduzida devido ao horário de almoço e a horários que comumente não possuem expediente.

Figura 5 – Ocupação média dos escritórios visitados

Figura 6 – Padrão de uso médio para iluminação

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Figura 7 – Padrão de uso médio para equipamentos

4.2.3 Padrão de uso dos equipamentos O padrão de uso de equipamentos provém do levantamento realizado junto à pesquisa de padrão de ocupação. Foram obtidos os padrões de uso para cada equipamento encontrado nos escritórios visitados. Os equipamentos mais comuns encontrados foram aparelhos de ar condicionado, cafeteiras, computadores, fax, lâmpadas, geladeiras, impressoras, ventiladores, filtro de água e rádio. Para este trabalho, foi obtido um padrão médio de uso de equipamentos para a tipologia predominante e outros padrões de uso de equipamentos (Figuras 6 e 7). Observa-se na Figura 7 que há uso de equipamentos em todos os períodos. Justifica-se tal uso pela presença de equipamentos que não são desligados, como a geladeira. Para a iluminação do corredor, foi adotado o uso das 8h às 19h.

4.2.4 Monitoramento dos equipamentos Para o levantamento da densidade de carga interna de iluminação e equipamentos, dois escritórios de advocacia foram monitorados (80 m² cada). Para as densidades de carga de iluminação e de equipamentos serem adotadas na tipologia predominante, foram obtidas médias das densidades adquiridas no monitoramento. Desse modo, a densidade média de iluminação obtida foi de 6,4 W/m², e a densidade média de equipamentos obtida foi de 9,7 W/m².

4.3 Tipologia predominante

4.3.1 Distribuição dos PJFs na tipologia predominante Relativamente à distribuição e à definição dos PJFs a serem utilizados na tipologia predominante, adotou-se a frequência de ocorrências dos PJFs encontrados no levantamento dos detalhes construtivos da amostra de edificação. Tem-se que 35% das fachadas principais possuem PJF entre 30,1% e 40%. Quanto às fachadas laterais, 32% encontram-se na faixa entre 10,1% e 20%. Com relação à orientação, adotou-se a fachada principal voltada para aquela que obteve a maior incidência na análise das orientações das fachadas principais; no caso, a fachada nordeste, com PJF de 40%. Já para as fachadas secundárias, adotou-se PJF de 20%.

4.3.2 Características da tipologia predominante Para a modelagem da tipologia predominante, foram analisados todos os resultados alcançados dos levantamentos. A tipologia predominante simulada possui 8 m de largura por 25 m de comprimento, apresentando uma área de pavimento de 200 m², que corresponde ao valor de área de pavimento mais frequente do estudo de ocorrência. Dessa forma, o edifício manteve uma proporção aproximada de 1x3 das edificações retangulares analisadas. A média do pé-direito obtido foi de 2,7 m. Junto ao estudo de frequência de ocorrência, obteve-se um edifício com 11 pavimentos (Figura 8). A forma, a proporção, a área do pavimento e a área das zonas foram obtidas do estudo de frequência de ocorrência. O modelo possui três zonas térmicas, sendo a frontal e a posterior (88 m² cada) condicionadas, e, por fim, a zona denominada circulação (24 m²), não condicionada. A Tabela 1 apresenta a descrição da tipologia predominante.

Figura 8 – Modelo genérico.

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Tabela 1 – Descrição da tipologia predominante Transmitância térmica (W/m2K)

Paredes Cobertura

2,47 2,42

Capacidade térmica [kJ/ (m²K)]

Paredes

200

Cobertura

187

Absortância

Vidro

Paredes

0,65

Cobertura

0,70

Cor

cinza

Espessura Fator solar

6 mm 0,83

Ocupação média (m2/pessoa) Densidade de carga interna (W/m2) Caract. do sis. de condicionamento de ar

14,7

Iluminação Equipamentos

6,4 9,7

Tipo Capacidade de refrigeração (BTU/h)

Ap. de janela 21.000

COP (Wtérmico/Welétrico)

2,8

O sistema de ar condicionado é formado por um aparelho de ar condicionado em cada escritório (do tipo aparelho de janela), operando durante o horário médio de uso da edificação (8h às 19h), para manter a temperatura interna a 24 ºC. Embora as temperaturas sejam amenas no inverno para o clima analisado, se ocorrerem temperaturas acima de 24 ºC nesse período, o sistema é acionado. Em nenhum caso o sistema de aquecimento é acionado. A taxa de infiltração foi fixada em uma renovação de ar por hora para o período entre 8h e 19h (0,067 m³/s) e em 30% dessa taxa para o período restante.

4.4 Simulações termoenergéticas

4.4.1 Simulação da tipologia predominante: caso-base Na Figura 9, observa-se o gráfico de consumo em quilowatts-hora por metro quadrado no decorrer do ano para a tipologia predominante. O edifício apresenta um consumo anual de energia de 191,8 MWh (87,2 kWh/m²). Claramente, observa-se na curva da Figura 25 que o consumo de energia durante o período de temperaturas mais amenas (junho, julho e agosto) é reduzido, pois os aparelhos de ar condicionado não são acionados, nem mesmo para aquecimento, pois no clima do estudo o inverno não é rigoroso. 45

Figura 9 – Consumo de energia da tipologia predominante (caso base).

Os consumos anuais do edifício obtidos da simulação, relacionados à iluminação e aos equipamentos, é de 40,2 MWh e de 76,2 MWh respectivamente. O percentual de cada um relativamente ao total de consumo anual de energia é de 21% para iluminação e de 40% para os equipamentos.

4.4.2 Variações do fator de projeção das proteções solares A análise da influência no consumo de energia com relação à variação do fator de projeção foi feita de forma simplificada, contudo as respostas dos casos analisados foram bem significativas. A Figura 10 apresenta o consumo de energia das variações do fator de projeção comparado ao consumo do caso-base. Nota-se que nos cinco casos apresentados ocorreu uma redução no consumo de energia. Entretanto, vale ressaltar que a maior redução no consumo de energia não significa, necessariamente, que seja o caso ideal, pois a proteção pode estar barrando em excesso a entrada de luz no ambiente.

Figura 10 – Consumo de energia das variações do fator de projeção.

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O brise vertical obteve a menor influência na redução do consumo de energia, ao passo que os demais casos obtiveram uma redução máxima no consumo de energia de 15,2% para o mês de abril. A Tabela 2 apresenta o consumo anual de energia com relação ao fator de projeção. Comparando-se o caso-base com o caso que obteve menor consumo anual de energia, nota-se que houve redução de 10,1 kWh/m².ano (11,6%). Tabela 2 – Consumo anual de energia com relação ao fator de projeção e variação percentual em relação ao caso-base Consumo Simulado (kWh/m².ano) Variação (%)

Brise horizontal

Brise horizontal e vertical

AVS25°

AVS45°

AVS65°

Brise vertical

87,2

82,3

79,4

77,1

85,1

77,8

-5,6

-8,9

-11,6

-2,4

-10,7

Caso-base

Os brises horizontais (ângulo vertical de sombreamento) demonstraram uma relação linear com o consumo de energia. Ocorreu redução no consumo de energia paralelamente ao aumento do ângulo vertical de sombreamento. Observou-se que os casos simulados com proteção solar colaboraram para a redução do consumo de energia. Contudo, deve-se atentar para a adequação desta ao tipo de clima e, principalmente, à orientação solar. Para este trabalho, os brises foram considerados iguais para todas as fachadas. Entretanto, para um melhor desempenho, estes devem ser projetados de acordo com a orientação solar correspondente a cada fachada.

4.4.3 Variações do entorno O entorno foi determinado da forma descrita na metodologia, em que foram apresentados 6 casos. A Figura 11 apresenta as curvas de consumo anual do caso-base e dos demais casos simulados. Os casos em que ocorreram as menores variações do consumo de energia estão relacionados à obstrução, em separado, das fachadas NE, SE e SO do caso-base, nas quais não ultrapassam os 2% (Tabela 3). Da análise das obstruções adotadas separadamente, a maior variação do consumo de energia ocorreu ao se obstruir a fachada NO, devido à grande incidência de radiação solar nesta. Embora no período do inverno (junho, julho e agosto) a altitude solar seja menor, o que ocasiona mais sombreamento em função das obstruções do entorno, o consumo é menor do que nos demais períodos do ano, pois no inverno o uso do ar condicionado é reduzido. 47

Figura 11 – Consumo de energia das variações de entorno.

A Tabela 3 mostra o consumo anual de energia relativamente ao entorno. Nota-se pequena influência no consumo de energia ao se analisarem as obstruções do entorno individualmente. No entanto, ao obstruírem-se todas as fachadas e até mesmo ao cercar-se toda a edificação (obstrução total), observa-se que ocorre redução no consumo de 5,8% e 12,3% respectivamente. Embora ocasione redução no consumo de energia, o entorno também possui seus aspectos negativos, como a obstrução da iluminação natural, a obstrução da ventilação natural e, até mesmo, a obstrução da vista para o exterior. Tabela 3 – Consumo anual de energia com relação ao entorno e variação percentual em relação ao caso-base Obstrução

Consumo

Casobase

Fachadas

Total

Simulado (kWh/ m².ano)

87,2

86,5

84,4

85,7

87,0

82,1

76,5

Variação (%)

-0,8

-3,2

-1,7

-0,2

-5,8

-12,3

4.4.4 Variações do fator solar dos vidros Para a simulação das variações dos fatores solares dos vidros, adotaram-se os vidros que foram encontrados com maior frequência. Dessa forma, foram simulados: o vidro claro, com fator solar igual a 0,87; o vidro refletivo prata, com fator solar igual a 0,61; e o vidro refletivo bronze, com fator solar igual a 0,22. Os resultados foram comparados ao caso-base, simulado com vidro fumê, fator solar igual a 0,83, e PJF de 40% para a fachada nordeste e de 20% para as demais fachadas. 48

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A Figura 12 apresenta a semelhança no consumo anual de energia das variações do fator solar dos vidros, exceto o vidro com fator solar igual a 0,22, que apresentou a variação mais significativa do consumo, 4,7% no mês de janeiro.

Figura 12 – Consumo de energia em função das variaçõesdo fator solar dos vidros.

A Tabela 4 apresenta o consumo anual de energia com relação ao fator solar. Nota-se que a maior redução do consumo anual de energia foi de 3,5%. Dessume-se que a pequena variação da influência do consumo pode ser explicada pelo pequeno valor de PJF adotado no caso-base. Observa-se, ademais, que ocorre acréscimo no consumo de energia, conforme se aumenta o valor do fator solar dos vidros, embora o acréscimo seja pouco significativo. Aumentando o fator solar em 0,1, aumenta-se o consumo de energia em 0,65%. Tabela 4 – Consumo anual de energia com relação ao fator solar e variação percentual em relação ao caso-base Fator solar

Consumo

Caso-base 0,83

0,22

0,61

0,87

Simulado (kWh/ m².ano)

87,2

84,1

86,7

87,9

Variação (%)

-3,5

-0,6

0,8

4.4.5 Variações do PJF Para analisar a influência da área de janelas da fachada no consumo de energia, foram variados os PJFs em faixas de 10%, igualmente para as fachadas, e comparados ao caso-base.

A Figura 13 mostra a variação do consumo de energia no decorrer do ano com relação aos PJFs adotados para a análise. Ocorre uma redução máxima do consumo de 8,5% para PJF igual a 10% no mês de abril, quando comparada ao consumo do caso-base, e um acréscimo máximo do consumo de 25,1% para o PJF igual a 100% no mês de fevereiro.

Figura 13 – Consumo de energia em função das variações dos PJFs.

Na Tabela 5, observa-se que houve uma redução no consumo de energia de 6,6% para de PJF equivalente a 10%. Já para o maior valor de PJF, equivalente a 100%, houve um acréscimo no consumo de energia de 20,4%. Excluindo-se o caso-base e considerando o consumo de energia do PJF de 10% a 100%, nota-se um acréscimo no consumo de 23,6 kWh/m².ano, equivalente a 29%. Estabelecendo-se correlação do PJF ao consumo de energia, aumentando-se aquele em 10%, há um acréscimo do consumo de energia de aproximadamente 2,9%. Tabela 5 – Consumo anual de energia com relação ao PJF e variação percentual em relação ao caso-base Consumo

PJF Caso-base 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Simulado (kWh/m².ano)

87,2

Variação (%)

81,4 85,1 88,7 91,9 94,9 97,5 99,7 101,6 103,3 105,0 -6,6

-2,4

5,4

8,8

11,8 14,3 16,5 18,5 20,4

4.5.6 Variações da transmitância térmica Ao analisar a variação no consumo de energia em função das alterações das transmitâncias térmicas das paredes, observou-se a pequena influência deste parâmetro (Figura 14). 50

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Figura 14 – Consumo de energia em função das variações datransmitância térmica das paredes.

Figura 15 – Consumo de energia em função das variações da transmitância térmica da cobertura.

A partir da transmitância térmica obtida para o caso-base, foram variadas para mais e para menos em 25% e 50% do valor. A transmitância térmica obtida para o caso-base foi de 2,47 W/m²K. Os demais valores de transmitâncias térmicas obtidos para as simulações estão apresentados na Tabela 6. Nesses casos, os valores das capacidades térmicas adotados foram mantidos ao se alterarem as transmitâncias térmicas, certificando-se de que a variação do consumo é proveniente apenas da alteração da transmitância dos componentes. Tabela 6 – Consumo anual de energia com relação à transmitância térmica das paredes e variação percentual em relação ao caso-base U - parede

Consumo

Caso-base 2,47 W/ m².K

3,70 W/ m².K

3,09 W/ m².K

1,85 W/ m².K

1,24 W/ m².K

Simulado (kWh/ m².ano)

87,2

85,1

85,2

87,6

89,7

Variação (%)

-2,4

-2,3

0,5

2,9 51

Nesse parâmetro, a resposta do consumo de energia com relação às variações das transmitâncias térmicas das paredes não se comporta como o esperado, tendo em vista que, ao se aumentar a transmitância térmica, ocorre um acréscimo no consumo de energia. Ao analisar o balanço térmico dos casos simulados, percebese que, ao se aumentar a transmitância térmica, ocorre perda de calor pelas paredes para o exterior, devido às elevadas cargas internas. Com isso, o calor no ambiente interno é reduzido, o que, consequentemente, implica a redução do consumo por condicionamento de ar. A Figura 15 apresenta as curvas de consumo de energia das variações da transmitância térmica da cobertura. Nota-se que o consumo do caso-base e dos demais casos se assemelha. A transmitância térmica da cobertura foi obtida da mesma maneira que as transmitâncias térmicas das paredes. A transmitância térmica da cobertura obtida para o caso-base foi de 2,42 W/m²K. Os demais valores de transmitâncias térmicas obtidos para as simulações estão apresentados na Tabela 7. Tabela 7 – Consumo anual de energia e carga de resfriamento do edifício e do pavimento de cobertura com relação à transmitância térmica da cobertura e variação percentual em relação ao caso-base Consumo Simulado (kWh/m².ano) Variação (%) Carga de resfriamento (kW) Edifício simulado Variação (%) Pavimento cobertura Variação (%)

Caso-base 2,42 W/m².K

3,63 W/ m².K

U - cobertura 3,03 W/ 1,81 W/ m².K m².K

1,21 W/ m².K

87,2

87,8

87,6

87,1

86,8

0,7

0,5 -0,1 U - cobertura

-0,5

Caso base 2,42 W/m².K

3,63 W/ m².K

3,03 W/ m².K

1,81 W/ m².K

1,21 W/ m².K

125.969 -

129.038 2,4

127.887 1,5

125.830 -0,1

124.353 -1,3

15.216

19.697

19.487

16.440

14.069

29,4

28,1

8,0

-7,5

Comparando-se os casos de menor e maior consumo, obtém-se uma variação de 1,2%. Observa-se que a redução no consumo de energia é pequena, porém bastante significativa se comparada proporcionalmente com o comportamento das paredes, visto que a área de cobertura é menor que a área de paredes. Ao diminuir a transmitância térmica da cobertura em 1 W/m²K, ocorre redução no consumo anual de energia na ordem de 0,5%. 52

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Relativamente ao pavimento da cobertura, também foram empregadas as cargas de resfriamento à análise da transmitância térmica. A Tabela 7 apresenta os valores de carga de resfriamento do caso-base, das variações das transmitâncias térmicas e, em seguida, os valores de carga de resfriamento do pavimento de cobertura. Também estão apresentadas as variações de carga de resfriamento com relação à tipologia predominante e ao pavimento de cobertura. Observa-se que, com relação ao edifício, a variação máxima de carga de resfriamento foi de 2,4%. Quando é considerado somente o pavimento de cobertura, ocorre uma variação de carga de resfriamento de 29,4% para uma transmitância térmica de 3,63 W/m²K. Essa análise demonstra que ocorrem pequenas variações de carga com relação ao edifício. Entretanto, ao se tratar do pavimento que está mais vulnerável às influências da cobertura, ocorrem variações significativas. Aumentando-se a transmitância térmica, ocorre um acréscimo na carga de resfriamento.

4.4.7 Variações da absortância Nas simulações do edifício que representa a tipologia predominante, foram estabelecidas paredes com acabamento superficial de cor cinza (absortância média é igual a 65%). Em relação às variações observadas no consumo de energia (Figura 16), quando a absortância varia do valor mínimo obtido (α=0,19) ao máximo (α=0,9), ocorre aumento no consumo de energia de 15,1%.

Figura 16 – Consumo de energia em função das variações da absortância das paredes.

A Tabela 8 apresenta o consumo anual de energia com relação às absortâncias médias das paredes externas. Observa-se que a menor variação foi a da cor branca, com uma redução do consumo de energia de 8,4%. A maior variação comparada ao casobase foi a da cor preta, alcançando um acréscimo do consumo de energia de 5,5%. 53

Figura 17 – Consumo de energia em função das variações daabsortância da cobertura.

Tabela 8 – Consumo anual de energia com relação à absortância média das paredes e variação percentual em relação ao caso-base Consumo

Caso-base α=65%

Branco α=19,0%

Amarelo α=39,0%

Bege α=39,2%

Rosa α=60,7%

Simulado (kWh/m².year)

87,2

79,9

83,4

85,1

Variação (%)

-8,4

-4,4

-2,4

Consumo

Laranja α=61,3%

Marrom α=74,4%

Azul α=74,5%

Verde α=85,8%

Preto α=92,6%

86,8

88,7

89,2

90,6

92,0

-0,5

1,7

2,3

3,9

5,5

Simulado (kWh/m².year) Variação (%)

O consumo de energia aumenta em função do aumento da absortância das paredes. A cada alteração de 10% da absortância, ocorre um aumento de aproximadamente 1,9% no consumo de energia. A alteração da absortância das paredes é uma alternativa de economia de energia relativamente simples de ser executada, pois, a maior parte das vezes, basta alterar a tonalidade da pintura do acabamento externo do edifício. Além disso, essa medida pode ter seu custo quase nulo se for implementada no período de execução ou reforma da edificação. Dessa forma, a economia alcançada pode ser bastante significativa. Para a análise da influência da absortância na cobertura, adotou-se para o casobase uma absortância de 70%, caracterizando a cor da telha de fibrocimento escura. Na Figura 17, pode-se observar que no mês de novembro ocorreram as maiores variações, chegando à redução do consumo de 6,4% para absortância igual a 20%.

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Como mostra a Tabela 9, houve redução do consumo de energia em todos os casos analisados com absortâncias inferiores às do caso-base. Houve aumento no consumo de energia, relativamente ao caso-base, somente para a hipótese da cobertura com absortância de 80%. Ademais, correlacionado-se parâmetro com consumo, ao se aumentar a absortância em 10%, aumenta-se o consumo de energia em 1%. Tabela 9 – Consumo anual de energia e carga de resfriamento com relação à absortância média da cobertura e variação percentual em relação ao caso-base Consumo

Caso-base α=70%

α=20%

α =40%

α=60%

α=80%

Simulado (kWh/m².ano)

87,2

82,8

84,6

86,3

88,0

Variação (%)

-5,0

-3,0

-1,0

0,9

Carga de resfriamento (kW)

Caso base α=70%

α=20%

α=40%

α=60%

α=80%

Edifício simulado

125.969

107.660

115.210

122.429

129.479

Variação (%)

-14,5

-8,5

-2,8

2,8

Pavimento cobertura

15.216

9.083

11.502

13.962

16.485

Variação (%)

-40,3

-24,4

-8,2

8,3

A mesma análise realizada para verificar a influência da transmitância térmica na carga de resfriamento foi realizada para verificar a influência da absortância considerando-se tão somente o pavimento de cobertura. De acordo com dados apresentados na Tabela 9, ao se comparar a carga total dos edifícios, as variações são significativas. No entanto, ao se analisar somente o pavimento de cobertura, essas variações são maiores, chegando a até 40,3% de redução de carga de resfriamento. E, ainda, ao se alterar a absortância em 10%, ocorre uma variação de aproximadamente 14% de carga de resfriamento no último pavimento.

4.4.8 Variações da orientação Para analisar a influência da orientação no consumo de energia do edifício, o caso-base foi adotado com suas características fixas: PJF de 40% na fachada principal orientada a nordeste e 20% para as demais fachadas. Para os 4 casos simulados, orientou-se a fachada principal para os principais pontos cardeais (norte, sul, leste e oeste). Os resultados de consumo de energia dos casos analisados, relacionados à orientação, são similares, como se pode observar na Figura 18. Vale reforçar que essa conclusão é válida apenas para o modelo adotado. 55

Figura 18 – Consumo de energia em função das variações das orientações.

A única situação que durante todo o ano apresenta o consumo mais elevado que o caso-base é o edifício com a fachada principal voltada para norte. As demais orientações apresentam oscilações do consumo de energia decorrentes da altitude solar. No verão, quando a fachada principal está orientada a leste e a oeste, ocorre redução no consumo de energia em comparação ao caso-base, cuja fachada está voltada para nordeste. Isso ocorre devido às diferenças de hora de sol incidentes nessas fachadas. A Tabela 10 apresenta o consumo anual de energia com relação à orientação. Observa-se que o caso que apresentou maior variação de consumo de energia foi o edifício com a fachada principal orientada a leste, no qual ocorreu uma redução no consumo de 3,1%. Ao comparar os casos que obtiveram maior e menor consumo – os edifícios com as fachadas principais voltadas para norte e leste respectivamente –, nota-se acréscimo no consumo anual de 3,6 kWh/m², apresentando variação no consumo de 4,3%. Tabela10 – Consumo anual de energia com relação à orientação e variação percentual em relação ao caso-base Consumo

Caso-base 45°

Norte 0°

Sul 180°

Leste 90°

Oeste -90°

Simulado (kWh/m².ano)

87,2

88,1

87,3

84,5

84,7

Variação (%)

1,0

0,1

-3,1

-2,9

4.5 Síntese dos resultados A Tabela 11 apresenta síntese dos resultados obtidos, indicando os principais parâmetros construtivos que mais influenciam no consumo de energia e na carga de resfriamento para o caso da análise da transmitância térmica e da absortância da cobertura para o último pavimento. 56

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Tabela 11 – Variações do consumo de energia e carga de resfriamento com relação aos parâmetros construtivos Variação do parâmetro construtivo

Variação do consumo de energia

10% Percentual de janela na fachada (PJF)

Consumo anual de energia (kWh/ m².ano) Mínimo

Caso-base

Máximo

2,9%

81,4

87,2

105,0

10% absortância das paredes

1,9%

79,9

87,2

92,0

10° Ângulo vertical de sombreamento (AVS)

1,8%

77,1

87,2

82,3

10% absortância da cobertura

1,0%

82,8

87,2

88,0

0,1 fator solar

0,6%

84,1

87,2

87,9

10% transmitância térmica das paredes

0,5%

85,1

87,2

89,7

10% transmitância térmica da cobertura

0,1%

86,8

87,2

87,8

Variação do parâmetro construtivo

Variação da carga de resfriamento

10% transmitância térmica da cobertura

8% (pavimento de cobertura)

14.069

15.216

19.697

10% absortância da cobertura

14% (pavimento de cobertura)

9.083

15.216

16.485

Carga de resfriamento (kW) Mínimo Caso base Máximo

5 CONCLUSÃO A proposta metodológica de levantamentos de dados, de definição de um modelo representativo da realidade construtiva e das simulações termoenergéticas apresenta-se apropriada à análise do desempenho energético de edificações. De acordo com a literatura revista e com os resultados obtidos neste trabalho, verifica-se a importância da escolha dos materiais e da adequação da edificação ao clima local para o alcance de melhores níveis de eficiência energética. Esses aspectos influenciam no consumo de energia de edificação, porquanto devem ser considerados na fase inicial de projeto. Muitas vezes, estudos e medidas simples implicam redução significativa do consumo de energia. Em decorrência do trabalho apresentado, demonstraram-se os parâmetros que mais influenciaram no consumo de energia. Entre esses, os que mais se destacaram foram o percentual de área de janela na fachada, a absortância das paredes 57

externas e a presença de proteção solar nas aberturas. Ressalta-se que as análises foram realizadas especificamente para uma tipologia predominante na cidade de Florianópolis, em cuja definição se buscou a maior aproximação possível com a realidade construtiva local. O estudo auxilia, destarte, na obtenção de meios de adequar esse tipo de edificação ao clima e na garantia de melhores níveis de eficiência energética.

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<<<

>>> INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS CONSTRUTIVOS NO CONSUMO DE ENERGIA DE EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIO LOCALIZADOS EM FLORIANÓPOLIS, SC Iara Gonçalves Dos Santos

construtivos.

Eficiência

energética.

ABSTRACT The Brazilian energy code for commercial and public buildings was launched in 2009. Besides the impact of the energy consumption, the document might affect the national construction net and the estate market. This work uses a case study to point out some aspects of its evaluation criteria. A building envelope and the lighting system of one of its standard offices were analyzed using the prescriptive method. The office, which has a double glazed façade, was also analyzed using the computer simulation method. The glazed façade was built in the software in two different forms; it was replaced by a traditional brick system and received overhangs. The main results indicate that the building envelope classification is more sensitive to variances in the solar absorptance values than to Solar Heat Gain Coefficients and overhangs. They also expose that inaccurate material data can change the building envelope classification. They show that the brick system has a better performance when compared to the glazed façade through the simulation method. But this difference is not noted in the code’s prescriptive method. Additionally, they demonstrate that the reductions of energy consumption caused by solar protection devices are significant and they depend on the angle, as contemplate the Regulation, likewise on the device’s geometry. KEYWORDS: Building energy code. Façade system. Building performance simulation.

1 INTRODUÇÃO Os esforços para reduzir o consumo de energia destacam-se como uma das principais medidas em direção à sustentabilidade no ambiente construído. Segundo o Balanço Energético Nacional (Brasil, 2008a), os edifícios residenciais, comerciais e públicos consomem 14,7% da energia produzida no Brasil. Se considerada apenas a energia elétrica, esse percentual sobe para cerca de 45%. Com o objetivo de contribuir para a conservação de energia, o governo brasileiro propôs em 2009 o “Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos” (Brasil, 2009), o primeiro regulamento nacional voltado para a melhoria de desempenho energético de edifícios. Além de afetar o desempenho energético, o documento causará impacto na cadeia construtiva e no mercado imobiliário nacional. Afinal, insumos, produtos, equipamentos, materiais de construção, projetos técnicos deverão concorrer para 62

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se adequar a suas determinações. Ademais, edifícios de alto consumo e alto custo de operação energética podem passar a ser percebidos pelo mercado como sendo de menor valor de comercialização (American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers, 2008). O presente trabalho propõe a aplicação e a avaliação de critérios de análise do Regulamento, aqui abreviado como RTQ, em um projeto de edificação de grande porte com condicionamento predominantemente artificial. Seu principal objetivo é levantar considerações sobre os métodos de análise de envoltória e do sistema de iluminação através de um estudo de caso. Entre os objetivos específicos estão: obter a classificação da envoltória de um edifício pelo método prescritivo; avaliar por simulação o efeito de alterações no sistema de fachada no desempenho energético; e avaliar a influência de proteções solares na classificação da envoltória e no consumo de energia de um de seus ambientes.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O RTQ destina-se a edifícios comerciais, públicos e de serviços. Atinge todo o parque edificado novo e existente, com áreas maiores que 500 m2 e/ou de alta tensão. Provisoriamente, é de adesão voluntária. Atribui cinco níveis de eficiência para edifícios, os quais variam de “A” a “E”, sendo este último considerado o menor índice de eficiência. Para tanto, avalia os seguintes aspectos: sistema de iluminação, sistema de condicionamento de ar e envoltória (Brasil, 2009). O RTQ incorpora um método prescritivo e outro de desempenho. No método prescritivo, no que tange à envoltória, ele enfoca a transmitância térmica, cores e absortância dos materiais, além de parâmetros máximos tais como a área de iluminação zenital. Para cálculo de desempenho da envoltória, faz uso de equações para obtenção de um indicador de consumo (IC), que varia conforme o zoneamento bioclimático (NBR 15220-3) em que o país é dividido. Na Zona Bioclimática 3, por exemplo, para um edifício com área de projeção (Ape) superior a 500 m2, a equação é: ICenv = - 14,14.FA – 113,94.FF + 50,82.PAFt + 4,86.FS – 0,32.AVS + 0,26.AHS – 35,75÷FF – 0,54.PAFt.AHS + 277,98, (1) onde ICenv é indicador de consumo [da envoltória] (adimensional); FA, fator altura (adimensional); FF, fator de forma (adimensional); Ape, área de projeção do edifício (m2); 63

Atot , área total de piso (m2); Aenv , área da envoltória (m2); Vtot , volume total da edificação (m3); PAFT , percentual de abertura na fachada total (%); FS, fator solar dos vidros (adimensional); AVS, ângulo vertical de sombreamento (adimensional); e AHS, ângulo horizontal de sombreamento (adimensional). Sobre o sistema de iluminação, ele trata da eficiência de sistemas e controles, condições para divisão de circuitos, aproveitamento da iluminação natural. Inclui cálculos de densidade de potência de iluminação e do nível de iluminância de projeto. No método de desempenho, adota simulação computacional para avaliar edifícios condicionados artificial ou naturalmente ventilados. As equações presentes no RTQ relativas ao IC de envoltória foram desenvolvidas a partir de simulações computacionais de edifícios com uso do software EnergyPlus e de técnicas de regressão (Laboratório de Eficiência Energética em Edificações, 2008). O EnergyPlus é um programa usado para simular o desempenho térmico e energético de edificação e de seus sistemas (US Department of Energy, 2008). Criado e mantido pelo Departamento de Energia Americano (DOE), tem sido internacionalmente usado em pesquisas e aplicações comerciais. O algoritmo do EnergyPlus é empregado em outros programas, o que facilita sua utilização e a leitura de resultados, visto que sua forma textual de entrada e de saída não é amigável ao usuário leigo. Entre esses programas está o DesignBuilder, que é capaz de criar mais facilmente a geometria do edifício em 3D, gerando automaticamente um arquivo de entrada de dados para o EnergyPlus (IDF ou Input Data File) com atributos de superfícies e suas respectivas coordenadas (OTEC, 2008). Como o exposto, o RTQ classifica a envoltória e, neste estudo, é destacado o sistema de fachada envidraçado porque uma pesquisa feita pelo Ministério das Minas e Energia indicou que as fachadas em vidro são o segundo tipo de sistema de vedação mais utilizado no setor comercial no Brasil, correspondendo a 11,3%. Em primeiro lugar está o sistema de alvenaria, que corresponde a 67,4% dos sistemas de vedação (Brasil, 2008b). Observa-se que o uso de fachadas envidraçadas tem sofrido alterações em certos tipos de edifícios. Isso está relacionado a determinações vinculadas a regulamentos de segurança contra incêndio e pânico nas edificações de alguns estados brasileiros. Em Minas Gerais, por exemplo, a Instrução Técnica 07 (Corpo de Bombeiros Militar de Minas Gerais, 2006) determina que atrás das fachadas envidraçadas sejam instalados parapeitos como uma das medidas para evitar a propagação de incêndio 64

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pelo exterior do edifício. Assim, cria-se um sistema de fachada envidraçado duplo. Consequentemente, com a instalação de elementos opacos por trás da fachada envidraçada, há interferência no desempenho energético do edifício. Essa interferência também é observada quando há uso de proteções solares. Uma pesquisa apresentada pelo MME relata que 15,7% dos edifícios comerciais brasileiros utilizam algum tipo de proteção solar externa. O Ministério reconhece que a ocorrência é baixa, havendo espaço para incentivo de uso desses dispositivos através de programa de eficiência energética (Brasil, 2008b). Sobre os efeitos desses dispositivos, citam-se três pesquisas nacionais nas quais a influência de brises no consumo de energia elétrica de edifícios foi avaliada. Todos os estudos foram feitos por simulação computacional, inserindo-se esses dispositivos em casos-base sem proteção. A partir dos dados apresentados por Signor (1999), infere-se que proteções fizeram o consumo reduzir aproximadamente 14% do consumo anual. Santana (2006) encontrou redução anual de até 11,6% com variações de brises verticais e horizontais, e em um caso houve redução de 15,2% no mês de abril. Carlo (2008) identificou ainda que as proteções solares sucedem o percentual de área de janela na fachada (PJF) como medida que proporciona os resultados mais atrativos para a redução no consumo, geralmente ficando à frente do fator solar e da transmitância térmica das paredes.

3 METODOLOGIA Escolheu-se o projeto do “Edifício-Sede do Tribunal de Justiça do Estado de Minas Gerais” (TJMG) como estudo de caso (Figura 1a). Além de atender às exigências de área mínima para a classificação de um edifício pela RTQ, ele possui o sistema de fachada em vidro sobre fechamento opaco no qual havia especial interesse de avaliação. O Edifício foi projetado para a área urbana central da cidade de Belo Horizonte (19º 55’ S e 43º 56’ O, Zona Bioclimática 3) e ainda não foi construído. Sua área de projeção é maior que 500 m2, e a área total é de 136.647,36 m². Possui duas torres externas com onze pavimentos e duas torres internas com sete pavimentos, além de um átrio com cobertura envidraçada (Figura 1b). As torres são revestidas em granito na cor cinza e em vidro de controle solar convencional. A análise de iluminação pelo método prescritivo e por simulação foi restrita a um dos ambientes do Edifício, o “Gabinete de Desembargador” (Figura 1c). Ele repete-se ao longo do prédio em quatro orientações, totalizando cerca de 17,5% da área útil e cerca de 9% da área total do edifício. Cada gabinete possui 29,5 m2 65

e pé-direito total de 4,02 m. É projetado para uma pessoa que realiza atividade de escritório, entre 9h e 18h. Utiliza condicionamento artificial do ar por fancoletes, e a iluminação artificial é feita por doze lâmpadas fluorescentes instaladas em seis luminárias de teto. As paredes são revestidas em cores claras, e o piso, em cinza-médio. Sua abertura única de 3,83 m x 1,55 m / 1,05 m está inserida no sistema de fachada envidraçado duplo.

b) a)

c) Figura 1 – (a) Perspectiva do Edifício do TJMG; (b) planta do pavimento-tipo do edifício, com destaque para o átrio central, as circulações e o ambiente repetido ao longo das torres externas; (c) planta do ambiente com disposição de mobiliário. Medidas em metros. Fonte: Adaptado de arquivos cedidos pelo TJMG.

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Esse sistema envidraçado, a partir do meio externo, é composto de módulos de vidro unitizado no sistema structural glazing, câmara de ar e placas cimentícias paralelas também intercaladas por câmara de ar (Figura 2). As placas cimentícias são pintadas em cor escura na face externa. O sistema de fachada é selado.

Figura 2 – Corte esquemático da fachada do ambiente em análise mostrando (a) o sistema em structural glazing e placas cimentícias, com medidas em metros; (b) detalhe da parte composta de placa cimentícia, com medidas em milímetros. Fonte: Adaptado de arquivos cedidos pelo TJMG.

Partiu-se, então, para a análise segundo o RTQ. As informações necessárias ao processo de análise foram retiradas predominantemente de documentos do projeto, catálogos de produtos e literatura específica. Os dados foram organizados em planilhas eletrônicas para facilitar os cálculos e a visualização de resultados. A começar da análise prescritiva da envoltória, emitiu-se um parecer para o projeto original. Observa-se que a avaliação de pré-requisitos de absortância foi feita variando-se os valores de alguns materiais, uma vez que não há definição precisa do fornecedor destes. Adotaram-se valores mínimos, médios e máximos de absortância a partir da NBR 15220-2 – Desempenho Térmico de Edificações – Parte 2 (ABNT, 2005). A transmitância de alguns materiais foi calculada pelo software DesignBuilder, desconsiderando a resistência superficial externa. O prérequisito relativo à cobertura zenital não foi adequadamente avaliado porque, como foi exposto, não se realizou a simulação completa do prédio. Para investigar a influência de variáveis na classificação, foi feita também a análise paramétrica da equação de indicador de consumo (IC). Variaram-se os percentuais de abertura na fachada (PAFt), fatores solares de vidros (FS) e ângulos de proteções solares (AVS e AHS) do edifício, conforme metodologia de Carlo (2008). Na classificação do sistema de iluminação pelo método prescritivo, a iluminância de projeto (Ep) foi definida a partir da NBR 5413 – Iluminância de Interiores (ABNT, 1992) em 300 lux. No projeto luminotécnico foram especificados “luminárias de embutir para duas lâmpadas fluorescentes de 28W/220V com corpo em chapa

de aço tratada e pintura na cor branca; refletor e aletas parabólicas em alumínio anodizado de alto brilho e ótimo controle de ofuscamento”, além de reatores eletrônicos. Todavia, dados de fluxo luminoso das lâmpadas ou da potência total do conjunto lâmpada-reator não foram determinados no projeto. Diante disso, foi avaliado o uso de lâmpadas de 2.400 lm e de 2.900 lm, além de reatores para duas lâmpadas com potência total de 62 W e 65 W. O uso de luminária sem aletas também foi avaliado. Na análise por simulação foram usadas versões experimentais do DesignBuilder (1.9.2.027, 1.9.9.001 e 1.9.9.006) e a versão 3.0.0.028 do EnergyPlus. A avaliação seguiu os princípios do RTQ. O sistema de fachada do ambiente foi alterado para se verificar o impacto das mudanças no consumo, gerando cinco protótipos modelados no DesignBuilder (Figura 3).

Figura 3 – Protótipos do ambiente padrão avaliados por simulação computacional

Todos os protótipos possuem a zona nomeada “Gabinete”. Essa zona representa a área de 29,5 m2 com ocupação humana que é atendida pelos sistemas de iluminação e de ar-condicionado. Nela, todas as superfícies não adjacentes a outras zonas foram tomadas como adiabáticas. Para avaliar a economia de energia pelo aproveitamento da luz natural, selecionou-se o controle da iluminação artificial por regulagem contínua. Esse controle é ajustado para uma iluminância mínima de 300 lux, valor definido na análise prescritiva. O nível de iluminância interno ao longo do dia é registrado por duas fotocélulas internas posicionadas a uma altura de 0,7 m em relação ao piso. No protótipo “Zonas Térmicas”, a fachada envidraçada foi construída considerando-se cada câmara de ar como uma zona térmica. As zonas “Painel Superior” e “Painel Inferior” correspondem às placas cimentícias paralelas intermediadas por ar. As zonas “Vidro Superior”, “Vidro Inferior” e “Vidro Centro” equivalem aos módulos da fachada envidraçada localizados acima, abaixo e no centro do vão da abertura. Acredita-se que esta seja a forma adequada de modelagem desse tipo de fachada, pois os efeitos ópticos do vidro no sistema são levados em conta na simulação. 68

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O protótipo “U-equivalente” foi criado como uma alternativa de modelagem do sistema de fachada do protótipo “Zonas Térmicas”. Seguindo o princípio da análise prescritiva do RTQ, seu sistema de fachada em múltiplas camadas foi reduzido a uma superfície com transmitância térmica equivalente, calculada em 1,574 W/m2K. Possui apenas a zona “Gabinete”. O protótipo “Alvenaria” foi criado a partir da substituição da fachada envidraçada de “U-equivalente” por alvenaria. Ele foi tomado como protótipo de referência pelo interesse em se compararem os dois sistemas de vedação mais utilizados no país. Adotaram-se tijolos furados revestidos por argamassa cimentícia, com absortância externa de 0,3 e transmitância total de 1,613 W/m2K. Os protótipos “RTQ” e “RTQ-2” advêm da inserção de brises em “Alvenaria”. Os ângulos dos brises são idênticos e correspondem a um AVS=45o e a um AHS=0o. Se aplicados simultaneamente no edifício, esses ângulos geram o menor indicador de consumo possível, conforme a equação prescritiva. Os modelos diferenciam-se porque em “RTQ” é aplicado brise de lâmina única e em “RTQ-2” são adotadas lâminas duplas paralelas. Na simulação, cada protótipo foi orientado a 0o, 90o, 180o e 270o. Foram então obtidos dados anuais de ganho de calor pela fachada, consumo de energia elétrica devido à iluminação artificial e consumo de energia elétrica total. Os resultados por orientação foram transformados em médias, as quais foram utilizadas para a comparação entre os protótipos.

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS A análise de resultados parte da avaliação da envoltória do edifício pelo método prescritivo do RTQ. Seguem-se as análises do sistema de iluminação do ambiente também pelo método prescritivo. Então, são analisados os resultados das simulações desse mesmo ambiente. Por fim, são feitos alguns comentários sobre os dois métodos de simulação.

Avaliação do edifício pelo método prescritivo do RTQ: envoltória De acordo com os pré-requisitos, a classificação máxima possível para a envoltória é “C”. Já pelo uso da equação de IC, a classificação máxima possível para a envoltória é “A”. Combinando-se esses dois resultados, a classificação final da envoltória é “C” (Tabela 1). 69

Tabela 1 – Valores dos parâmetros e classificações da envoltória Pré-requisitos Transmitância

Absortância

Upar

Parede

Ucob

Teto

W/2K W/2K 2,33

0,60

0,52

Class. Final

Equação de IC Zenital

PAZ

FS Class. AVS AHS PAFt

(°)

0,49 14,14 0,65

(°)

Class.

7,32 0,17 0,65 34,72

A Tabela 2 apresenta um resumo dos valores encontrados para avaliação de cada parâmetro no processo de análise de pré-requisitos da envoltória, com as respectivas classificações máximas obtidas. Os resultados indicam que a cobertura não aparente alcança absortâncias superiores a 0,4, mesmo usando-se nos cálculos os dados mínimos de absortância obtidos a partir da NBR 15220-2 (ABNT, 2005). Assim, por esse pré-requisito, o edifício só pode ter classificação igual ou inferior a “C”. No caso das paredes externas, a envoltória pode chegar à classificação “A” se adotar os valores mínimos de absortância para alguns materiais. Porém, na avaliação final, considerou-se a classificação obtida com a utilização dos valores médios, que resultam na classificação “C”. Em relação ao percentual de abertura zenital (PAZ), foi encontrado 14,14%. Isso limita a classificação da envoltória ao nível “B”, pois o RTQ determina que, nos casos de PAZ superiores a 5%, a análise seja feita por simulação para verificar se o edifício é elegível a “A”. Tabela 2 – Resultados de avaliação parcial de pré-requisitos com classificação máxima permitida Pré-requisito Transmitância das coberturas (W/m2K)

Absortância de paredes externas

PAZ (%)

Dados da Norma Valor calculado ClassificaNBR 15220-2 do parâmetro ção máxima -

0,60

3,13

Valores mínimos

0,42

Valores médios

0,49

Valores máximos

0,57

Valores mínimos

0,37

Valores médios

0,52

Valores máximos

0,68

14,14

A análise paramétrica da equação de indicador de consumo foi feita alterandose o valor de um dos parâmetros, enquanto os demais continuavam fixos e equi70

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valentes aos valores reais do edifício. Foram variados PAFt, FS, AVS e AHS (Tabela 3). Acréscimos experimentados em PAFt fazem a classificação da envoltória ir da máxima à mínima, ou seja, de “A” a “E”. As variações em FS são menos impactantes, reduzindo a classificação de “A” a, no máximo, “B”. Essa redução no IC é obtida quando o FS é superior a 0,73. Variações em AVS não influenciam na classificação da envoltória, que seria sempre “A”, independentemente do valor desse parâmetro, ou seja, independentemente da existência e/ou das características de brises horizontais sobre as aberturas. Já as variações em AHS fazem a classificação mudar de “A” a “C”. A classificação máxima “A” é obtida sem uso de proteção vertical. Um AHS entre 9,7o e 49,3o resulta na classificação “B”; a partir deste último valor, “C” é obtido. Observou-se que um aumento de PAFt gera aumento de IC. O mesmo acontece com FS e o inverso ocorre com AVS. Esses resultados eram esperados, dadas as condições climáticas do local no qual o edifício se insere. No entanto, um aumento de AHS gera também um aumento em IC, contradizendo a expectativa de que proteções solares verticais reduzem o consumo tendo-se em vista o clima e latitude locais. Tabela 3 – Variações experimentadas em PAFt, FS, AVS e AHS e respectivas classificações alcançadas PAFT

Classificação

Classi- AVS ficação

Classi- AHS ficação

Classificação

26,77

0,2

32,55

34,74

33,51

0,17

34,72

0,4

33,52

31,54

35,19

0,2

36,14

0,6

34,49

28,34

36,87

0,4

45,52

0,65

34,74

25,14

38,55

0,6

54,89

0,8

35,47

21,94

40,23

0,8

64,26

36,44

18,74

41,92

Avaliação do ambiente pelo método prescritivo do RTQ: sistema de iluminação O sistema de iluminação foi classificado como “B” no método prescritivo. Essa é a melhor classificação possível se forem usadas as seis luminárias com aletas do tipo especificado no projeto luminotécnico (Tabela 4). Porém, obtém-se “A” se forem adotadas luminárias sem aletas, de maior coeficiente de utilização (CU), combinadas ao conjunto lâmpada-reator de 62 W com fluxo luminoso de 2.400 lm. 71

Todas as combinações testadas geram níveis de iluminância acima de 300 lux, estando de acordo com a NBR 5413 (ABNT, 1992). Tabela 4 – Combinações de características de componentes do sistema de iluminação avaliadas com respectivos níveis de iluminância e classificações segundo o RTQ Luminárias Potência total do conjunto Fluxo luminoso Classificação Iluminância da lâmpada (lm) produzida (lux) pelo RTQ lâmpada-reator (W) Com aletas

62 65

Sem aletas

62 65

2400

363

2900

438

2400

363

2900

438

2400

500

2900

604

2400

500

2900

604

Observa-se que o efeito da redução no número de luminárias com aletas foi avaliado como alternativa preferencial à retirada das aletas. Essas contribuem para limitar o ângulo de ofuscamento da lâmpada no campo visual do observador, favorecendo o conforto visual do usuário. Se forem usadas cinco luminárias com aletas, a classificação variou entre “D”, “C” e “B” com nível mínimo de iluminância de 302 lux. A redução para quatro luminárias também não permite a classificação “A” e gera iluminâncias inferiores a 300 lux, níveis fora de conformidade à norma NBR 5413.

Avaliação de estudo de caso por simulação computacional Em todos os modelos a carga anual dos equipamentos calculada na simulação é de 17,5 kWh/m2. Esse valor é 1,2 a 3,7 vezes maior que o consumo anual do sistema iluminação artificial dos protótipos, considerado baixo devido às características do vidro de controle solar que está sobre a abertura. Esse vidro é duplo insulado na coloração verde e tem espessura total de 24 mm. As propriedades do vidro são apresentadas na Tabela 5 e foram calculadas pelo DesignBuilder a partir dos dados fornecidos pelo software Thermal Program, de propriedade da Guardian, fabricante desse material. A carga anual devido à presença humana varia de 5,6 kWh/m2 a 5,9 kWh/m2, dependendo do modelo e da orientação solar da fachada. O Gráfico 1 apresenta os resultados médios de cada protótipo. A Tabela 6 compara esses resultados aos de “Alvenaria”, que é o modelo de referência. 72

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Tabela 5 – Propriedades do vidro insulado de 24 mm calculadas através do DesignBuilder Parâmetro

Valor

Transmissão Energética Total (FS)

0,481

Transmissão Luminosa (TL)

0,505

Transmitância Térmica (W/m K)

2,708

b) Gráfico 1 – Consumo total e com iluminação (a) dos protótipos, além do ganho de calor pela fachada (b). Nota: os gráficos estão em escalas diferentes.

Tabela 6 – Dados médios anuais dos protótipos comparados ao de “Alvenaria” Variáveis

Protótipo

Energia* Iluminação

Calor pela fachada**

Diferença sobre "Alvenaria" Calor pela Energia Iluminação fachada**

kWh/m²

kWh

U-equivalente

77,1

7,6

581,1

9,8

1,2

62,0

Zonas térmicas

134,5

12,8

2721,2

91,6

71,0

658,5

Alvenaria

70,2

7,5

358,8

0,0

Brise RTQ

64,0

11,2

98,8

-8,9

49,4

-72,5

Brise RTQ-2

61,2

8,8

121,5

-12,9

17,3

-66,1

* Energia média total anual. ** Ganho de calor total pela fachada.

O protótipo “Alvenaria” teve consumo médio total estimado de 70,2 kWh/ m , dos quais 7,5 kWh/m2 são gastos com iluminação artificial. O consumo total de “U-equivalente” foi quase 10,0% superior ao de referência. O consumo com iluminação entre os dois protótipos foi praticamente o mesmo, com diferença de apenas 1,2%. Essa diferença com iluminação provavelmente é reflexo da sensibilidade do software DesignBuilder a pequenas alterações no modelo. A diferença de ganho de calor pela fachada entre eles chegou a 62,0%. Considera-se mais adequada a comparação de “Alvenaria” com “Zonas Térmicas”, uma vez que este representa melhor os fenômenos térmicos que ocorrem através da fachada envidraçada. O consumo de “Zonas Térmicas” é quase o dobro do de “Alvenaria”, com uma diferença de 91,6%. O consumo com iluminação é 71,0% superior, o que, em parte, se deve a uma pequena diminuição na área de abertura de “Zonas Térmicas” em consequência do processo de modelagem. O ganho de calor pela fachada é 658,5% maior que o de referência, o que em muito explica a considerável diferença no consumo. Em “RTQ”, percebe-se que a inserção de brise horizontal de lâmina única reduziu em 8,9% o consumo total de “Alvenaria”. Por outro lado, esse brise provoca um aumento de 49,4% no consumo com iluminação, pois dificulta a entrada de radiação direta e difusa. Já em “RTQ-2”, o uso de brise de lâmina dupla fez o consumo de “Alvenaria” diminuir em média 12,9%, enquanto há um aumento de 17,3% na iluminação. Essa diferença entre “RTQ” e “RTQ-2” mostra que a geometria da proteção interfere no consumo: além de a extensão das lâminas de “RTQ-2” ser menor, a lâmina inferior com sua cor clara pode refletir luz para o teto do ambiente. Em “RTQ”, percebe-se que a inserção de brise horizontal de lâmina única reduziu em 8,9% o consumo total de “Alvenaria”. Por outro lado, esse brise 2

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provoca um aumento de 49,4% no consumo com iluminação, pois dificulta a entrada de radiação direta e difusa. Já em “RTQ-2”, o uso de brise de lâmina dupla fez o consumo de “Alvenaria” diminuir em média 12,9%, enquanto há um aumento de 17,3% na iluminação. Essa diferença entre “RTQ” e “RTQ-2” mostra que a geometria da proteção interfere no consumo: além de a extensão das lâminas de “RTQ-2” ser menor, a lâmina inferior com sua cor clara pode refletir luz para o teto do ambiente. Considerando-se todos os protótipos, os valores de ganho de calor pelo fechamento opaco são relativamente próximos entre si, exceto em “Zonas Térmicas” (Gráfico 1b). Neste último, o acúmulo de calor por esse fechamento predomina ao longo do ano, o que faz com que o ganho de calor total por sua fachada seja muito maior que o dos demais. Paralelamente, os valores de ganho de calor pela abertura dos protótipos com proteção solar equivalem a quase metade dos que não possuem nenhuma proteção.

Comentários sobre os resultados dos dois métodos de avaliação de desempenho A transmitância térmica dos sistemas da envoltória foi estabelecida pela equipe de projeto do edifício. No sistema em structural glazing sobre placa cimentícia da fachada, essa transmitância foi estabelecida em 2,3 W/m2K. Já para o uso na simulação, a transmitância tanto do sistema envidraçado modelado em superfície única quanto da alvenaria calculada pelo DesignBuilder tiveram valores menores, equivalentes a 1,574 W/m2K e 1,614 W/m2K respectivamente. Qualquer desses valores favorece a obtenção de “A” no pré-requisito da transmitância das paredes externas, pois resultam em média inferior ao limite de 3,7 W/m2K, que foi estabelecido pelo RTQ para a Zona Bioclimática 3. Apesar disso, considerando-se os resultados da simulação de “Zonas Térmicas”, pode-se dizer que haveria uma economia percentual muito maior no consumo total de cada ambiente se a alvenaria fosse utilizada em substituição à fachada envidraçada projetada. Porém, lembra-se que os percentuais apresentados neste estudo dependem de muitos fatores relativos à configuração dos protótipos, tais como as propriedades dos vidros e as cargas internas escolhidas. Sobretudo, mais pesquisas sobre o comportamento desse tipo de fachada envidraçada devem ser feitas para referendar os resultados aqui obtidos. Nota-se que também existem diferenças nos valores adotados para o fator solar nas análises. O valor utilizado na análise prescritiva foi de 0,65, pois constava no caderno de especificação. O valor usado na simulação foi de 0,481, calculado pelo DesignBuilder (Tabela 5). 75

Outro aspecto relevante da análise prescritiva da envoltória abrange as aberturas localizadas entre as torres paralelas do edifício. Muitas delas se encontram protegidas da insolação direta em algum intervalo do dia. No entanto, no cálculo do índice de consumo (IC), os efeitos desse tipo de sombreamento não foram considerados em termos de AVS porque não podem ser contabilizados no Regulamento. Já na análise prescritiva da iluminação, a classificação foi considerada como “A” porque foram selecionados componentes entre os mais eficientes do mercado. Com eles, obteve-se uma densidade de potência instalada absoluta (DPIA) de 12,7 W/m2, com nível de iluminação de 500 lux. Signor (1999) expõe que os valores para carga interna instalada de iluminação de edifícios de escritórios recomendados pelo Energy Code da ASHRAE, documento de 1993, estão entre 9,5 W/m2 e 19,0 W/m2. Por sua vez, o IECC, documento de 2003, define o valor de 1,1 W/ft2 – cerca de 11,8 W/m2 – como prática geral aceitável para a iluminação de ambientes de edifícios comerciais (International Code Council, 2003, tabela 805.5.2). Considera-se que o DPIA do ambiente analisado está próximo desses valores recomendados.

5 CONCLUSÃO Este estudo abordou aspectos do “Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos” (RTQ) mediante sua aplicação em um estudo de caso, o projeto do Edifício-sede do Tribunal de Justiça de Minas Gerais para a cidade de Belo Horizonte. Analisaram-se os critérios envoltória do edifício e sistema de iluminação de um ambiente padrão. Foram aplicados o método prescritivo do documento e simulação com os softwares EnergyPlus/DesignBuilder. A seguir são retomados os principais resultados. A classificação da envoltória pelo método prescritivo divide-se nas etapas de análise de pré-requisitos e da equação de indicador de consumo. Os pré-requisitos limitaram a classificação do edifício ao nível “C”, e a equação indicou o nível “A” de eficiência. A análise de pré-requisitos da envoltória baseia-se na avaliação de transmitância térmica e de absortância térmica. Por simulação foi demonstrado que a transmitância térmica não é suficiente para representar os efeitos térmicos através do sistema de fachada envidraçada dupla adotado no estudo de caso. Como exposto, o consumo de energia do protótipo cuja fachada envidraçada é representada por uma superfície com transmitância térmica equivalente foi subestimado quando comparado ao do protótipo cuja fachada é representada por camadas de zonas térmicas individualizadas na 76

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simulação. Mais que isso, os dados de ganho de calor pela fachada do protótipo com zonas térmicas indicam que esse sistema de fachada tem comportamento semelhante ao de um coletor solar, funcionando como um acumulador de calor. Diante disto, estima-se que seja necessário complementar ou alterar a forma de análise do RTQ para que esse tipo de fachada tenha seu desempenho mais bem avaliado. Porém, é recomendável endossar os resultados por meio de medição. Sobre a absortância para radiação solar foram evidenciadas duas questões. A primeira é a inexistência de um amplo banco de dados que quantifique a absortância de materiais. Isso pode dificultar a aplicação do RTQ em algumas situações. Pode também gerar na construção civil a preferência por materiais cuja absortância é conhecida ou facilmente determinável, interferindo na dinâmica do mercado de produtos e insumos. A segunda questão refere-se à precisão desses dados. Observou-se no estudo de caso que a classificação da envoltória é muito sensível às variações nos dados de absortância. As variações experimentadas a partir de dados médios, mínimos ou máximos, obtidos a partir da norma brasileira NRB 15220-2 (ABNT, 2005) causaram mudança de até dois níveis na classificação da envoltória. Entende-se o interesse do RTQ no incentivo ao uso de materiais mais claros, mas acredita-se que variações pequenas na absortância podem não resultar num aumento tão expressivo no consumo do edifício a ponto de justificar uma piora significativa na classificação da envoltória. Propõe-se então a criação de uma escala de valores para essa classificação. Acrescenta-se que a falta de padronização de dados fornecidos tanto por fabricantes quanto por projetistas dificultou o processo de avaliação no método prescritivo e na simulação. Mas espera-se que, a partir da existência do RTQ, esses dados sejam encontrados de modo mais padronizado. Consequentemente, isso pode influenciar de maneira positiva a qualidade e a quantidade das informações disponíveis no setor da construção. Na equação de indicador de consumo (IC), observa-se que têm menores pesos os fatores relativos aos ângulos AVS e AHS, os quais representam os dispositivos de proteção solar das aberturas. Entretanto, pesquisas encontradas na literatura sinalizam que as proteções podem influenciar bastante o consumo de energia. Aqui, verificou-se por simulação que o consumo total médio do ambiente padrão reduziu em até 12,9% com uso de proteções horizontais (brises). Por outro lado, de acordo com a equação do método prescritivo, a classificação da envoltória do edifício independe da proteção horizontal e permanece sendo “A”. Na análise prescritiva do sistema de iluminação do ambiente só foi possível a obtenção de “A” com o uso de componentes dos mais eficientes disponíveis no mercado nacional. Além disso, houve substituição da luminária especificada por um modelo sem aleta, que tende a reduzir o conforto visual do usuário. 77

Segundo o RTQ, o ambiente é aprovado no critério de contribuição da luz natural por possuir a fileira de luminárias mais próxima à janela com acionamento independente. No entanto, essa contribuição pode ser mais efetiva. O uso de vidros de maior transmissão luminosa pode favorecer o aproveitamento de luz natural em relação ao vidro de controle solar que foi aplicado neste estudo. Todavia, tais vidros geralmente possuem maior FS, o que tende a piorar a classificação da envoltória. De maneira oposta, os brises tendem a reduzir o potencial de aproveitamento de luz natural, apesar de ajudarem a reduzir o consumo. Estudos futuros podem contribuir para a ponderação desses fatores com o objetivo de gerar possibilidades complementares de avaliação desse critério. Preferencialmente, sugere-se que tais estudos efetuem análises minuciosas do desempenho luminoso de vidros e proteções solares através de métodos e de softwares específicos de iluminação, o que não foi possível realizar no momento. As iluminâncias mínimas definidas para os dois sensores localizados no interior do ambiente, bem como as cargas internas, influenciaram muito nos resultados. É interessante em estudo futuro realizar nova análise paramétrica variando seus valores, para investigar mais detalhadamente seus efeitos sobre o consumo. Pondera-se também que o potencial de aproveitamento de luz natural pode ter sido superestimado, porque foi avaliado através de dimerização contínua. Considera-se que os objetivos deste estudo foram alcançados. Ressalva-se que o trabalho foi feito utilizando-se um projeto de edificação que, apesar de detalhado, não foi especificado em todos os aspectos necessários a este estudo. Tentou-se aplicar um Regulamento recém-lançado, que sofreu revisões diversas ao longo da elaboração do presente trabalho até sua primeira versão oficial, emitida apenas em fevereiro de 2009, e cujo manual de aplicação encontrava-se ainda em desenvolvimento. Demandou dados de materiais e sistemas construtivos que, em alguns casos, não são disponibilizados pelos fabricantes, nem encontrados na literatura. Adotou o DesignBuilder, um software validado para esse tipo de aplicação, porém em suas versões experimentais atualizadas. Por esse contexto, ao longo do processo foram tomadas decisões para superar lacunas de dados exatos ou de informações, o que permitiu o prosseguimento do trabalho, mas também criou limitações quanto à precisão de alguns resultados obtidos. Entende-se que algumas dessas decisões devem ser revistas no futuro, eventualmente trazendo implicações para os resultados.

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>>> ÍNDICES MÍNIMOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA PARA EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DE USO RESIDENCIAL NO BRASIL Conrado Augustus de Melol

RESUMO Índices mínimos de eficiência energética são mecanismos políticos responsáveis por significativas economias de energia em muitos países. No Brasil, no ano de 2007, foram lançadas as primeiras regulamentações específicas que estabeleceram padrões mínimos de desempenho energético para refrigeradores e aparelhos de ar condicionado. Porém, a ausência da avaliação dos impactos destes padrões ou mais restringentes na conservação de energia inviabilizam uma abordagem mais específica da eficiência energética no planejamento energético. Em adição, a evolução de padrões técnicos e de seus impactos no mercado não pode ser avaliada de outra maneira. Neste quadro, a tese contribui ao desenvolver uma metodologia para estimativa dos impactos do estabelecimento de padrões de eficiência energética para refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, televisores e lâmpadas. São avaliadas as relações entre custo e eficiência energética sob a perspectiva da sociedade e dos consumidores. É verificada a possibilidade de aumento das restrições dos padrões existentes e a oportunidade de ampliação da abrangência dos padrões para outros equipamentos. PALAVRAS CHAVE: Eficiência Energética. Padrões. Equipamentos Elétricos.

ABSTRACT Energy efficiency minimum standards are policy mechanisms responsible for significant energy saving in several countries. In Brazil in year 2007 was launched the first regulation for residential appliances establishing minimum energy efficiency standards for refrigerators’ and air conditioners. The lack of impact evaluation of energy savings due the standards adopted our to more stringent efficiency standards do not allow the properly account the contribution of energy efficiency at the national energy planning level. A longer term view of evolution of technical standards and their impacts on the market cannot be assessed otherwise. This thesis contributes developing a methodology for estimating the impacts 81

of energy efficiency standards for refrigerators, air conditioners, television sets and light bulbs. A cost-benefit analysis for improved standards is presented under the perspective of the society and the consumers. It is analyzed the possibility of enforce higher levels of existing standards and the possibility of extending the implementation of standards for other equipment. KEYWORDS: Energy Efficiency. Standards. Electric Appliances.

1 INTRODUÇÃO Índices mínimos de eficiência energética são mecanismos de políticas públicas que restringem a comercialização de produtos não adequados a requerimentos específicos de consumo energético. Esses mecanismos eliminam equipamentos ineficientes do mercado, e assim, promovem a conservação de energia. Em meio às opções de mecanismos de promoção de conservação de energia, os índices mínimos de eficiência energética estão dentre os que têm apresentado resultados mais efetivos em relação aos ganhos de conservação de energia e à transformação dos mercados de eficiência energética. Por exemplo, nos EUA, segundo Rosenquist et al (2006), os padrões de eficiência energética para equipamentos de uso residencial e comercial são a maior fonte de economia de energia. Schiellerup (2002) pontua: “do ponto de vista da transformação do mercado em prol do aumento da eficiência energética de equipamentos elétricos para refrigeração na Inglaterra, as mais importantes políticas, muito além das outras, têm sido as etiquetas e os padrões de eficiência energética”. No Brasil, o processo de implementação de índices mínimos de eficiência energética se iniciou com o estabelecimento, em 2001, da Lei Nº 10.295, chamada de Lei de Conservação e Uso Racional de Energia. Esta Lei foi regulamentada pelo Decreto Nº 4.059, também de 2001, que estabeleceu o Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética - CGIEE1. Este comitê ficou responsável, dentre outras atribuições, por elaborar um plano de trabalho para a implementação progressiva da Lei. Conforme mostra a Tabela 1.1, o plano elaborado pelo CGIEE identificou e classificou estudos necessários ao processo de decisão de quais índices limitantes do consumo deveriam ser adotados. No entanto, o plano observou: “Destaca-se que os trabalhos relativos à definição dos índices máximos de consumo específico de energia ou mínimos de eficiência energética para os aparelhos consumidores de energia são inéditos no país e um longo caminho ainda tem que ser percorrido para a completa implementação da Lei. Além do ineditismo do tema, este traba82

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lho se caracteriza pela alta complexidade dos assuntos tratados, pela necessidade de um esforço contínuo de pesquisa e de desenvolvimento tecnológico e pela diversidade de agentes públicos e privados envolvidos.” Tabela 1.1 – Estudos identificados pelo CGIEE necessários à aplicação sustentável da Lei de Eficiência Energética Estudos Gerais

Estudos Específicos

1. Levantamento da experiência internacional sobre Programas de Etiquetagem e Indicadores de Desempenho Energético de Máquinas e Aparelhos consumidores de energia

1. Avaliação dos laboratórios existentes e das necessidades futuras

2. Avaliação e definição das metodologias a serem utilizadas para o estabelecimento dos níveis de eficiência energética

2. Elaboração de estudos de mercado para as principais máquinas e equipamentos consumidores de energia

3. Identificação de parcerias institucionais e estabelecimento de forma de atuação conjunta

3. Identificação das inovações tecnológicas que possam resultar da implementação da lei

4. Identificação de fontes e de recursos financeiros, assim como incentivos fiscais e tributários que podem ser mobilizados em apoio à implementação da legislação

4. Estimativa da economia de energia que pode se obtida com a implementação da lei

5. Estabelecimento de procedimentos operacionais para a implementação sustentada da lei

5. Definição dos equipamentos para elaboração das regulamentações específicas

6. Identificação das implicações comerciais nos mercados interno e externo

6. Elaboração do programa de metas dos primeiros equipamentos contemplados com a lei

Neste contexto, no dia 24 de dezembro de 2007, foram publicadas três portarias interministeriais referentes à regulamentação específica para refrigeradores/ congeladores, aparelhos de ar condicionado e fogões e fornos a gás. Porém, alguns dos estudos indicados pelo CGIEE, por exemplo, estimativas de economia de energia e avaliação e definição de metodologias a serem utilizadas para o estabelecimento dos níveis de eficiência energética, não foram considerados e/ou realizados na definição dos índices mínimos adotados. Assim, coube ao Ministério de Minas e Energia (MME) justificar: A estimativa de economia de energia em função da entrada em vigor desta regulamentação requer informações acerca da substituição de refrigeradores/condicionadores de ar velhos por novos. Atualmente, inexistem informações concisas a respeito dessas variáveis, o que impede a estimativa da economia de energia em decorrência da regulamentação. Conforme o ofício ELETROS OF PRES 181/2005, essa as83

sociação informa indispor de informações de vendas de refrigeradores/condicionadores de ar” (MME, 2006a e MME, 2006b). Não se trata de fazer aqui uma crítica a justificativa apresentada pelo MME. No entanto, o fato evidencia que, no mínimo, não existe ainda uma estrutura adequada para avaliação deste mecanismo de promoção da conservação de energia. Logo, são maiores as dificuldades em determinar o quanto estes índices estão sendo efetivos, ou, se existe a necessidade de qualquer alteração do mecanismo, aumento do rigor, ou mesmo reformulação do plano de metas. Em adição, a falta dessa análise inviabiliza um ajuste mais fino e específico relacionado à consideração da eficiência energética no planejamento da matriz energética. As estimativas dos impactos dos padrões adotados poderiam auxiliar na identificação de oportunidades de redução da necessidade de expansão da matriz de geração de energia elétrica. No Plano Nacional de Energia 2030 (MME & EPE, 2007) não existe referência a possíveis impactos de mecanismos de eficiência energética no comportamento da demanda projetada. A experiência internacional mostra que a implementação dos padrões de eficiência energética requer a execução de várias etapas, inclusive de avaliação prospectiva de impactos. McMahon (2004) compara, para os casos dos EUA e da Austrália, os elementos existentes no processo de estabelecimento dos MEPS (padrões mínimos de desempenho energético – do inglês Minimum Energy Performance Standards). Apesar de possuírem objetivos principais diferentes (Austrália - redução de gases de efeito estufa, EUA - aumento da eficiência energética), a análise comparativa revela a existência de etapas idênticas nos processos adotados e uma evidente preocupação com os impactos decorrentes da adoção dos padrões sob o enfoque dos consumidores (custo do ciclo de vida), da sociedade (benefícios e custos nacionais), dos comerciantes e dos fabricantes (questões relativas à indústria, competição e comércio).

1.1 Objetivos Este estudo tem o objetivo de propor um modelo para avaliação dos impactos da adoção de índices mínimos de eficiência energética para equipamentos elétricos de uso residencial. Para tanto, o modelo permitirá a realização de projeções de consumo de eletricidade considerando a eficiência energética dos equipamentos que penetram nos domicílios brasileiros. Serão contempladas várias opções de incremento de eficiência energética que podem vir a tornarem-se padrões mandatórios de eficiência energética. O modelo será desenhado para, a partir dos resultados das previsões, avaliar os impactos econômicos dos possíveis índices mínimos de eficiência energética frente à perspectiva individual dos consumidores a da sociedade de modo geral. 84

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O modelo que será desenvolvido pretende auxiliar o complexo processo de tomada de decisões referente à adoção de padrões mandatórios de eficiência energética. Além disso, as previsões do modelo poderão ser utilizadas no planejamento da matriz energética. Assim, ao se projetar a necessidade de capacidade instalada para suprir a demanda de energia elétrica, a abordagem da eficiência energética pode ser mais específica ao considerar o potencial de conservação de energia que pode ser alcançado através dos padrões de eficiência energética; alternativa essencial para indicar possíveis reduções na trajetória de expansão da matriz energética. Os objetivos específicos deste estudo são: 1 Estimar potenciais de conservação de energia para cada opção de incremento de eficiência energética no caso de refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, lâmpadas e televisores, vis a vis a possibilidade de captura de benefícios econômicos para os consumidores e para a sociedade; 2 Comparar os impactos estimados de economia de energia com as projeções oficiais relacionadas à eficiência energética e, contempladas no Plano Nacional de Energia 2030 para o setor residencial.

2 METODOLOGIA DE PROJEÇÃO 2.1 Modelo geral A metodologia proposta para realizar as projeções compreende 4 etapas principais, conforme ilustra a Figura 2.1. Estas etapas abrangem tanto os estudos identificados no plano de trabalho para implementação progressiva da Lei Nº 10.295 realizado pelo CGIEE, quanto etapas identificadas no estabelecimento de padrões nos casos do EUA/Canadá e Austrália. A primeira etapa refere-se ao diagnóstico do mercado de equipamentos e sua caracterização, com enfoque no consumo de eletricidade. Nesta etapa também são relacionadas às possibilidades de engenharia, que possibilitam o aumento da eficiência energética dos modelos considerados. Os custos relacionados de cada opção de incremento de eficiência e os respectivos potenciais de redução do consumo são listados. A segunda etapa contempla o modelo de estimativa da posse de equipamentos. As variações anuais do estoque são estimadas com base: 1) no sucateamento dos equipamentos mais antigos, através de uma função logística de probabilidade de retirada em função da idade e; 2) nas primeiras compras referentes ao acréscimo populacional e ao aumento da posse fundamentada em um modelo de regressão econométrica com base na penetração dos equipamentos. 85

Na terceira etapa de análise são tecidas as considerações sobre os cenários, os quais seguem algumas das premissas adotadas pelo Plano Nacional de Energia 2030 (MME & EPE, 2007). Os potenciais de conservação de energia são contabilizados a partir das diferenças entre as projeções de dois cenários: 1) mais provável, o qual reflete a continuidade dos indicadores de eficiência atuais e o atual contexto político energético, denominado “Cenário BASE” e; 2) os “Cenários MEPS”, em que são considerados aumentos da penetração de equipamentos mais eficientes conforme opções de MEPS. Finalmente, a última etapa do modelo geral traz uma análise comparativa dos resultados dos potenciais de conservação de energia com enfoque nos impactos sob a perspectiva da sociedade e dos consumidores.

Figura 2.1 – Visão geral da metodologia de análise dos padrões de eficiência energética

2.1.1 Dados São utilizados na presente pesquisa três bancos de dados principais: 1) Para as séries históricas de PIB (Produto Interno Bruto) e IPA-OG (Índice de Preços por Atacado – Oferta Global) de eletrodomésticos foi utilizado o banco de dados do IPEADATA. Os dados foram obtidos em: http://www.ipeadata.gov.br/ (Data da consulta: 03/2008) 86

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2) No caso das séries históricas de penetração de equipamentos por classes de renda para todas as regiões analisadas, assim como o número de residências e projeção da população foi utilizado o banco de dados disponibilizado pelo IBGE através do sistema IBGE de recuperação automática (SIDRA). Disponível em: http://www.sidra.ibge.gov.br (Data da consulta 03/2008) 3) No caso dos dados mais detalhados em relação a penetração de equipamentos por fabricante, tipo, categoria e idade por classes de renda e por região foram utilizados dados da pesquisa (PUC, 2005). Realizada em 17 Estados esta pesquisa contemplou 21 concessionárias abrangendo aproximadamente 95% da área de concessão de todas as distribuidoras em território nacional. No presente trabalho não são identificadas as concessionárias pesquisadas em relação às respectivas análises. Esta pesquisa foi disponibilizada pelo Professor da Puc-Rio Reinaldo Castro Souza (Coordenador da Pesquisa) através de comunicação interna.

2.2 Opções técnicas de eficiência e custos relacionados Devido à ausência de pesquisas e literatura para determinação de opções de engenharia e respectivos custos para o caso dos equipamentos brasileiros, onde apenas Queiroz et al. (2003) abordam o tema no caso dos refrigeradores, o presente trabalho utiliza-se de uma compilação de opções conforme descrito em CLASP (2006). No presente estudo, os índices de desempenho energético, utilizados no caso dos refrigeradores são os mesmos adotados atualmente na Europa. Os MEPS europeus adequaram-se mais às condições dos equipamentos brasileiros. Ao comparar o modelo equivalente brasileiro com volume de até 200 litros e consumo de 233 kWh com os equipamentos chinês e indiano (CLASP, 2006), sendo estes com volume de 182 litros e consumo de 431 kWh/ano e volume de 165 litros com consumo de 438 kWh/ano respectivamente, percebe-se que o Brasil está mais desenvolvido que estes países. No caso dos aparelhos de ar condicionado as opções contempladas na análise referem-se ao padrão norte americano, em que os equipamentos são classificados por faixas de potência em Btu/h, sendo o modelo equivalente correspondente à média aritmética dos modelos presentes no mercado brasileiro entre cada uma das faixas consideradas. Para o caso dos televisores, as projeções de penetração de equipamentos contemplam o limite de consumo para o modo standby em 1W. Este limite é aplicado na grande maioria dos países que estabelecem padrões de consumo para televisores, como, por exemplo, na União Européia, Suíça, Indonésia, Estados Unidos, China e Rússia. No Brasil já existe uma iniciativa de caráter informativo através do programa brasileiro de etiquetagem em que são listados os consumos dos te87

levisores. Stracquadaini & Leonardi (2003) apresentam um método com baixo custo para limitar o consumo em standby em 1W de televisores. No caso das lâmpadas, o índice utilizado é a potência elétrica das lâmpadas. No caso, as simulações consideram um limite de 25W independentemente da tecnologia adotada (incandescente, fluorescente compacta, LED). Como premissa de substituição, considera-se que lâmpadas compactas de 15W substituem lâmpadas incandescentes menores que 80W; e 25W substituem lâmpadas incandescentes maiores que 80W.

2.3 A penetração de equipamentos Existem diversos tipos de modelos econométricos utilizados para realização de projeções. Estes podem ser classificados em modelos contábeis, técnicos-econômicos e híbridos ou mistos. Na literatura relacionada à área de energia, em que geralmente o objetivo dos trabalhos é estimar a demanda de eletricidade, o modelo usual é derivado da função de produção Cobb-Douglas, por exemplo, (Andrade e Lobão, 1997; Lima e Schmidt, 2004; e Mattos (2004). No entanto, conforme cita Swisher, Jannuzzi & Redingler (1997), estes modelos geralmente são utilizados de maneira agregada e não levam em conta possíveis mudanças na estrutura da demanda de energia. Assim, como o ponto crucial da metodologia utilizada no presente trabalho é avaliar a demanda com base em mudanças na sua estrutura; aqui é utilizado um modelo misto de projeção do estoque; sendo utilizado um método de regressão econométrica para estimar impactos de variações dos preços e da renda na penetração de equipamentos por classes de renda e; para o sucateamento dos equipamentos, emprega-se um modelo logístico de probabilidade de retirada em função da idade. Assim, a projeção da demanda de eletricidade é baseada na dinâmica do estoque de equipamentos. Os cenários referem-se, então, a mudanças na estrutura da demanda conforme variação do estoque a cada ano, dada diferentes opções de penetração de equipamentos com diferentes eficiências elétricas. O modelo é mostrado pela Equação 2.1. (2.1) onde Se,m é a penetração do equipamento e na classe de renda m. Y é a renda representada pela proxy PIB e P o preço dos equipamentos dado pelo Índice de Preço por Atacado (IPA-OG) dos eletrodomésticos, ambos. k é uma constante, os expoentes α (alfa) e b (beta) representam os impactos da variação da renda e do preço na penetração de equipamentos.

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2.3.1 Variação do estoque ano a ano A variação do estoque, ano a ano, se dá através da contabilização dos equipamentos novos entrantes no mercado, devido: a) a substituição de equipamentos obsoletos (depreciação), o que acontece com maior freqüência quando esses estão próximos do fim de sua vida útil. Assim, o trabalho utiliza uma função logística que determina a probabilidade da substituição com base na idade do equipamento, podendo ser concentradas em torno do desvio considerado. A Equação 2.2 ilustra o modelo utilizado.

(2.2)

onde Pe(Id) é a probabilidade do equipamento e com idade Id ser substituído. Vu é a vida útil do equipamento e DId é o desvio de idade em relação a vida útil, considerou-se nas projeções um desvio de dois anos em relação a vida útil do equipamentos. Deste modo, a substituição de equipamentos em cada ano é dado pela Equação 2.3.

(2.3)

onde Sub(y) é o número de equipamentos substituídos no ano y. Estoque (y-1,Id) é o estoque do ano anterior segmentado pela idade dos equipamentos Id, ano a ano. b) devido à primeira compra de equipamentos relacionada ao acréscimo populacional e variações na penetração conforme indica a Equação 2.4. (2.4) onde PCe,m é a quantidade de primeiras compras do equipamento e na classe de renda m no ano y, NR é o número de residências na faixa de renda m.

2.4 Cenários A projeção de cenários relativos ao consumo residencial de eletricidade, conforme o modelo adotado aqui permite uma análise prospectiva, baseada no comportamento de parâmetros técnicos e econômicos que influenciam na quantidade demandada de eletricidade. Assim, o potencial de conservação de energia, é determinado a partir das diferenças de consumo entre os cenários.

As hipóteses sobre os parâmetros econômicos e o horizonte das projeções (2030) seguem o que foi considerado no PNE. Os cenários comparativos são reflexos dos cenarios A, B1, B2 e C do PNE (2030), ora denominados de cenários BASE (A, B1, B2 e C). Este se contrapõe aos cenários MEPS (A, B1, B2 e C), em que são aplicados limites de consumos mais restringentes.

2.5 Impactos potenciais A análise dos impactos da adoção de padrões específicos é baseada na avaliação dos custos incorridos e dos benefícios gerados com sua implantação. Cada uma das opções de implementação de MEPS é avaliada sob a perspectiva do consumidor frente as possíveis opções que poderiam ser encontradas no mercado.

2.5.1 Consumidor A avaliação da perspectiva do consumidor é baseada na comparação entre o incremento de custo da opção eficiente e as economias anuais geradas com sua operação. Para tanto, aplica-se nos custos incrementais o fator de recuperação de capital (FRC) para uma série uniforme, o que permite transformar o incremento de custo em uma série uniforme de desembolsos, permitindo assim, a comparação direta em base anual entre a diferença de custo anualizado (CA) e as economias da operação a cada ano. O modelo segue as equações 2.5 e 2.6.

(2.5) onde ∆custo é a diferença entre os custos das opções e o termo entre colchetes é o FRC, sendo r a taxa de desconto adotada1 e n a vida útil do equipamento. As economias geradas são dadas pela Equação 2.6. (2.6) onde EA é a economia anual, CeBASE é o consumo anual do equipamento utilizado no cenário BASE, CeMEPS é o consumo do equipamento no cenário MEPS e T é a tarifa de eletricidade para o setor residencial no ano considerado.

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2.5.2 Sociedade A perspectiva da sociedade, de modo geral, é representada pela comparação entre os custos totais e benefícios totais de cada cenário. Assim, são agregados os benefícios e os custos gerados individualmente. Como a penetração de equipamentos depende basicamente da substituição e da primeira compra de equipamentos, nos anos iniciais, a partir do ano de implementação de um padrão específico, os ganhos são reduzidos, assim como os custos, porém estes são crescentes conforme o parque vai se tornando mais eficiente. A energia total conservada é dada pela Equação 2.7.

(2.7)

onde Es é a economia total de energia devido ao consumo dos equipamentos em cada cenário. CE a cada ano, em cada cenário, é dado pela multiplicação do consumo dos modelos equivalentes pelo estoque de equipamentos, conforme a Equação 2.8:

(2.8) Os benefícios são correspondentes as economias de energia e a seu preço. A somatória dos custos adicionais individuais, devido ao incremento dos preços dos equipamentos em relação ao caso base, reflete os custos totais para a sociedade. A Equação 2.9 ilustra o modelo de contabilização dos benefícios (BS). A Equação 2.10 ilustra o modelo de contabilização dos custos (CS).

(2.9) (2.10)

onde EN é o número de equipamentos entrantes no mercado a cada ano, em cada cenário e P é o respectivo preço. Neste contexto, decidiu-se por utilizar uma metodologia que permite a comparação direta dos custos e benefícios: o valor presente líquido, dado pela Equação 2.11.

(2.11)

A taxa de desconto adotada nas simulações é de 8% ao ano, conforme indica o Plano Nacional de Energia – PNE 2030, para a “Taxa mínima de desconto aplicada na avaliação das alternativas de expansão”, a qual é discutida pela Nota Técnica 1.04.26.07A (EPE, 2007).

APLICAÇÕES E RESULTADOS Os potenciais de eficiência energética e a avaliação econômica frente a perspectiva dos consumidores e da sociedade referente à adoção de padrões mais rigorosos para de refrigeradores e aparelhos de ar condicionado, assim como a implementação de padrões para lâmpadas e televisores, são descritos a seguir. Estes resultados seguem as premissas de crescimento econômico do cenário B1 (4,1% ao ano) apresentado no PNE (2030).

3.1 Refrigeradores

3.1.1 Potencial de conservação de energia As projeções do consumo de cada modelo equivalente contemplado na análise para o Brasil são descritas na Tabela 3.1. Cabe ressaltar que o consumo total indicado na tabela é referente à participação dos modelos equivalentes considerados, o que totaliza, no caso geral para o Brasil, 72,2% do estoque. Para o restante dos equipamentos, com volume menor que 200 litros e maior que 400 litros não são consideradas opções de MEPS. O potencial estimado refere-se à implementação de todas as opções de engenharia de eficiência de uma forma agregada, ou seja, potencial técnico máximo. Os resultados, com início da aplicação dos padrões em 2010, indicam que o estoque torna-se completamente eficiente por volta de 2025, com a completa substituição do estoque existente por modelos eficientes. De um modo geral, nos primeiros anos de aplicação dos padrões, os ganhos de conservação são reduzidos; no entanto, eles são crescentes com o aumento da penetração dos equipamentos eficientes. Assim, esta diferença, por volta do ano 2025, é de 42% do consumo anual, o que significaria uma economia de 12 TWh neste ano.

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Tabela 3.1 – Projeções de consumo (TWh/ano) de refrigeradores nos cenários BASE e MEPS Brasil

2010

2015

Modelos Base

2020

2025

2030

Consumo (TWh/ano)

201-300

7,3

8,9

8,28

9,13

9,85

301-400

8,44

9,47

9,58

10,56

11,39

301-400 FF

5,64

6,33

6,4

7,05

7,61

Total

21,38

23,99

24,26

26,74

28,85

7,12

6,85

5,23

4,42

4,74

8,31

8,45

7,26

6,98

7,51

5,53

5,5

4,5

4,12

4,44

20,96

20,8

16,99

15,52

16,69

Modelos MEPS

Total

Consumo (TWh/ano)

Modelos

(TWh/ano) 0,18

1,34

3,05

4,71

5,11

0,13

1,02

2,32

3,58

3,88

0,11

0,83

1,9

2,93

3,17

Total

0,42

3,19

7,27

11,22

12,16

1,96%

13,30%

29,97%

41,96%

42,15%

Diferença

3.1.2 Avaliação econômica No caso dos refrigeradores, mesmo nas condições de mercado, com taxa de desconto de 64,9%, as projeções apresentaram opções de aumento da eficiência energética com custos menores ou iguais aos benefícios gerados com a economia de energia ao longo da vida útil desses equipamentos. Por exemplo, o modelo equivalente de uma porta 201-300 litros (que seria equivalente ao consumo com classificação C no padrão atual), apresentou potencial de acréscimo de eficiência de 14% com fluxo líquido de caixa igual a zero – situação que os benefícios com a energia economizada pagam os custos adicionais. A Tabela 3.2 lista as características técnicas das opções onde os benefícios apresentaram-se maiores do que os custos nas estimativas. A perspectiva da sociedade indica a existência de um espaço maior para padrões de eficiência energética mais rigorosos em relação à perspectiva dos consumidores. Neste caso, a gama de opções em que os benefícios são maiores dos que os custos são maiores. Por exemplo, sob a perspectiva do consumidor, o FLC para o modelo equivalente 1 porta 201-300 litros apresentou-se positivo até a opção 93

de engenharia 2; por outro lado, no caso da avaliação sob a perspectiva da sociedade, a opção de engenharia 7 apresentou benefícios maiores dos que os custos ao longo do período de 2010 a 2030 (da ordem de R$ 440 milhões). Tabela 3.2 – Opções de engenharia para aumento da eficiência energética de refrigeradores viáveis economicamente sob a perspectiva do consumidor: Modelo equivalente

Selo

Opção de Engenharia (1) C + acréscimo do isolamento na porta (15mm) (2): (1) + decréscimo de vazamento pela porta

Ganho de Eficiência

1 porta (201-300)

14%

1 porta (301-400)

Combinado “Frost Free” (301-400)

(1): A + compressor mais eficiente (2): (1) + acréscimo de isolação da porta (35/65 mm)

17%

3.2 Aparelhos de ar condicionado

3.2.1 Potencial de conservação de energia A Tabela 3.3 ilustra o consumo projetado nos cenários comparativos. Neste caso, são estimados os potenciais técnicos relacionados à opção de engenharia máxima de eficiência nos cenários MEPS. Enquanto no cenário BASE, o crescimento médio do consumo destes equipamentos é de 1,6% ao ano, no cenário MEPS este crescimento é de 0,7%. No horizonte das projeções, a diferença de consumo é de aproximadamente 1,8 TWh, representando cerca de 25,4%.

Avaliação econômica Os aparelhos de ar condicionado com capacidade entre 6000-8000 Btu/h apresentaram duas opções de MEPS com benefícios maiores ou iguais aos custos, o que corresponde a um potencial de eficiência energética de 11% em relação aos equipamentos com classificação A do programa brasileiro de etiquetagem. A tabela 3.4 lista as opções com avaliação financeira positiva. Deve ser destacado que, sob o enfoque dos consumidores, nenhum dos outros casos apresentou resultados viáveis economicamente nas condições usuais de mercado. Porém, sob a perspecti94

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va da sociedade, a ordem de grandeza dos custos anuais per capita para as opções máximas de eficiência (potencial técnico) não ultrapassam R$ 5,00/ano. Tabela 3.3 – Resultados das projeções de consumo (TWh/ano) nos cenários BASE e MEPS para aparelhos de ar condicionado. Brasil

2010

2015

Modelos (Btu/h) Base

2030

6000 7999

2,985973

3,272548

3,212571

3,574443

3,756189

8000 -13999

1,23833

1,357177

1,332304

1,482378

1,557751

14000 -19999

1,482709

1,62501

1,595228

1,774919

1,865166

Total

5,707012

6,254735

6,140104

6,83174

7,179106

Consumo (TWh/ano)

6000 7999

2,957928

2,977389

2,470599

2,595855

2,724336

8000 -13999

1,227831

1,246675

1,054524

1,116013

1,171445

14000 -19999

1,471734

1,509501

1,304861

1,391953

1,461356

Total

5,657492

5,733565

4,829984

5,103821

5,357136

Modelos Diferença

2025

Consumo (TWh/ano)

Modelos MEPS

2020

(TWh/ano)

6000 7999

0,028045

0,295159

0,741972

0,978589

1,031853

8000 -13999

0,0105

0,110502

0,27778

0,366365

0,386306

14000 -19999

0,010975

0,115509

0,290367

0,382965

0,40381

Total

0,04952

0,52117

1,31012

1,727919

1,82197

1,96%

13,30%

29,97%

41,96%

42,15%

Tabela 3.2 – Características técnicas das engenharias com avaliação financeira positiva para aparelhos de ar condicionado. Modelo Equivalente

Selo

Capacidade de Refrigeração

Eficiência Energética W/W

6000-7999 Btu/h

2051 W

3,00

Engenharia Custo efetivo Consumidor (1) - C + Evap./Cond melhorados (2) - (1) + PSC Fan Motor 95

A análise econômica das opções de engenharia de eficiência energética para aparelhos de ar condicionado mostrou-se, como no caso dos refrigeradores, mais favorável (maior rigor dos padrões com custos menores que benefícios) sob a perspectiva da sociedade. No entanto, o VPL em 2010 da implementação de cada opção ao longo do período 2010 – 2030 mostrou-se positivo somente no caso das opções de MEPS para os modelos equivalentes com capacidade entre 6000 – 7999 Btu/h. Enquanto que na análise econômica sob o enfoque do consumidor, os benefícios dentro das condições normais de mercado mostraram-se maiores do que os custos até a opção de engenharia 2, sob o enfoque da sociedade estes MEPSs mostraram-se favoráveis até a opção 4. Neste caso, os benefícios agregados com as economias de energia em termos de valor presente líquido são da ordem de R$ 535 milhões.

3.3 Lâmpadas No caso das lâmpadas, conforme mostra a figura 3.1, a limitação da potência a 25W representaria um estoque com grande penetração de LFC, o que permitiria a estabilização do consumo próximo a 10 TWh/ano, valor cerca de 55% inferior ao consumo anual projetado no cenário BASE. No entanto, deve ser destacada a necessidade de lâmpadas com qualidade e que realmente cumpram a vida útil definida pelos fabricantes. Outras questões pertinentes que devem ser analisadas com maiores detalhes são: 1) influência da qualidade do fornecimento de energia na vida útil das FLCs; 2) o fator de potência das FLCs disponibilizadas no mercado e; 3) a inserção no mercado das lâmpadas com tecnologia LED, as quais provavelmente terão uma curva de custos decrescente nos próximos anos.

Figura 3.1 – Projeções do consumo de lâmpadas nos cenários BASE e MEPS – (2008 -2030).

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3.4 Televisores Ao longo do período das projeções, o consumo de eletricidade dos televisores cresce a uma taxa média anual de 1,56% no cenário base e 1,34% no cenário MEPS. Essa diferença, devido a limitação da potência de consumo standby em 1W, representa, no ano horizonte do estudo, 0,9 TWh de energia economizada. A Figura 3.2 ilustra as projeções do consumo nos cenários BASE e MEPS.

Figura 3.2– Projeção do consumo de televisores: cenário BASE e MEPS.

4 CONCLUSÃO No presente estudo, desenvolveu-se, um modelo de projeção do consumo de eletricidade que permite considerar especificações técnicas de equipamentos elétricos, e assim, possibilita a avaliação dos impactos da adoção de diferentes índices mínimos de eficiência energética ou máximos de consumo de energia. As estimativas, resultantes da aplicação do modelo, revelaram que a adoção de padrões mais restritos para refrigeradores e aparelhos de ar condicionado, assim como a implementação de padrões para lâmpadas e de consumo no modo de operação standby para televisores, são ações adequadas para aumentar a conservação de energia com impactos significativos e bem determinados, resultando em alguns casos, captura de benefícios econômicos para a sociedade e para os consumidores. Assim, para o caso brasileiro, onde “parece” não existir ainda um arcabouço para avaliar os impactos dos padrões de eficiência energética adotados, a metodologia aqui desenvolvida, pode contribuir no processo de análise e estabelecimento destes padrões mandatórios.

4.1 Análise crítica da eficiência energética nas projeções oficiais do Plano Nacional de Energia 2030 para o setor residencial As projeções do PNE (2030) consideram intrinsecamente a energia conservada referente ao progresso autônomo da eficiência energética. No cenário B11 o consumo projetado para o setor residencial em 2030 é de 283,3 TWh. Como progresso induzido o PNE entende ser possível atingir em 2030, um montante de energia conservada aproximadamente equivalente ao potencial dito de mercado, o valor considerado nas projeções é de 1% para o setor residencial. Logo, a economia de energia provocada por ações de políticas públicas ou por meio da institucionalização de programas e medidas específicas, onde se enquadram os padrões de eficiência energética, seria da ordem de 2,83 TWh no horizonte do estudos. As estimativas apresentadas na tese são coerentes com a ordem de grandeza das previsões do PNE. Porém, estas apresentam potenciais de eficiência energética superiores, considerando apenas 4 equipamentos elétricos de uso residencial, o que pode indicar a possibilidade de potenciais ainda maiores. A estimativa do potencial técnico, indicado pelo PNE (19,8 TWh), é equivalente ao potencial viável economicamente sob a perspectiva da sociedade (20 TWh) estimado na tese para refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, lâmpadas e televisores somados. Tabela 4.1 – Potencial de eficiência energética técnico, econômico e de mercado: PNE e tese Potencial de PNE PNE Tese eficiência (2030) (2030) (2030) energética (%) (TWh) (%)

Tese (2030) (TWh)

Técnico

19,8

9,6%

27,4 {12,7 (lâmpadas) + 12 (refrigeradores) + 1,8 (aparelhos de ar condicionado) + 0,9 (standby - televisores)}

Econômico

8,49

7,0%

20,0 {12,7 (lâmpadas) + 5,1+0,8 (refrigeradores) + 0,5 (aparelhos de ar condicionado) + 0,9 (standby - televisores)}1

Mercado

3,83

5,4%

15,4 {12,7 (lâmpadas) + 0,7 + 0,8 (refrigeradores) + 0,3 (aparelhos de ar condicionado) + 0,9 (standby - televisores)}2

Refere-se a avaliação sob a perspectiva da sociedade onde são utilizadas na análise taxas de desconto de 8% ao ano. 2 Refere-se a avaliação sob a perspectiva do consumidor nas condições “normais” de mercado – taxa de 63,6% ao ano. 1

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Tanto o potencial econômico (8,49 TWh), quanto o potencial de mercado (3,48 TWh) indicados pelo PNE, são valores inferiores ao que pode ser obtido, com benefícios maiores do que os custos, sob a perspectiva dos consumidores (15,4 TWh) para refrigeradores, aparelhos de ar condicionado, lâmpadas e televisores somados. A Tabela 4.1 lista as estimativas de potencial técnico, econômico e de mercado referente ao PNE e à tese. Assim, deve ser destacado que o Plano Nacional de Energia pode ser mais específico ao considerar os potenciais de eficiência energética que podem ser alcançados através da implementação de índices mínimos de eficiência energética. Isto permitiria, no processo de elaboração do plano, uma previsão mais precisa do comportamento da necessidade de expansão da matriz energética.

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NOTAS 1 O Decreto no 4.059 estabelece que o comitê deve ser composto por representantes dos seguintes órgãos e entidades: I - Ministério de Minas e Energia, que o presidirá; II - Ministério da Ciência e Tecnologia; 2 III - Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior; IV - Agência Nacional de Energia Elétrica; V - Agência Nacional do Petróleo; e VI - um representante de universidade brasileira e um cidadão brasileiro, ambos especialistas em matéria de energia, a serem designados pelo Ministro de Estado de Minas e Energia, para mandatos de dois anos, podendo ser renovados por mais um período. 3 A taxa base simulada é referente à situação usualmente vivenciada pelos consumidores de baixa renda, no qual as taxas aplicadas pelo varejo são altas; por exemplo, o custo médio de crédito à pessoa física é estimado em 64,9% (Instituto para Desenvolvimento do Varejo, 2007). 4 Foram escolhidos os resultados do cenário B1 porque o PNE (2030) escolhe este cenário para apresentação de alguns resultados consolidados.

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>>> SUBSÍDIOS PARA DIRETRIZES EM EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE UM MINISTÉRIO DA ESPLANADA: RETROFIT DA ENVOLTÓRIA Ana Maria Abrahão Nicoletti

RESUMO Ante a crise energética mundial, é preciso repensar os processos construtivos e incluir as considerações energéticas e ambientais em nossa sistemática de projeto, pensando qual linguagem essa nova arquitetura deverá assumir. Pesquisas nas diversas capitais sobre as recentes inovações tecnológicas –materiais e componentes construtivos – possibilitam, com mais segurança, a proposição de retrofits na envoltória de edificações, de modo a atualizá-las, garantindo condições mais favoráveis de conforto, menor dependência dos sistemas mecânicos de condicionamento de ar e maior eficiência energética. Este trabalho teve como objetivo a investigação de alternativas para o retrofit da envoltória de edifícios de escritórios, considerando a melhoria do desempenho térmico e energético, especificamente em tipologias representativas da cidade de Brasília. No estudo de caso avaliou-se um dos edifícios dos Ministérios, através do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos, no âmbito do programa Procel Edifica/Eletrobrás/Inmetro. Para a avaliação do desempenho da envoltória, utilizou-se a metodologia da simulação, válida para edifícios condicionados e não condicionados. O resultado deste trabalho expressou um indicador comparativo da eficiência energética da envoltória de tipologia de edifícios de escritórios existentes. Nesse caso, as soluções preservaram as características essenciais da envoltória, devido à necessidade de preservação do edifício por seu caráter representativo e também pelas restrições advindas da necessidade de preservação de sua arquitetura. Ainda, com respaldo nesses resultados, foi possível demonstrar a viabilidade financeira para a execução desses empreendimentos. PALAVRAS-CHAVE: Retrofit. Envoltória. Regulamentação.

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ABSTRACT Facing the energy crisis, we must rethink the construction processes and include energy and environmental considerations in our systematic project, thinking that this new language architecture should take. Research in various capitals about the latest technology, materials and building components, allow more safely, the proposition in the envelope retrofits of buildings in order to update them, ensuring more favorable terms of comfort, less reliance on mechanical systems air conditioning and energy efficient. This study aimed to investigate alternatives for the retrofit of the envelope of office buildings, considering the improvement of thermal performance and energy, specifically types representative of the city of Brasilia. In the case study was rated one of the buildings of the Ministries, through the Technical Regulation of Quality for Energy Efficiency Commercial Building, and Public Service, the program Procel Build/Eletrobrás/Inmetro. To evaluate the performance of the envelope was used in the simulation methodology, valid for conditioned buildings and non-conditioned. The result of this study expressed a comparative study of the efficiency of envelopment typology of existing office buildings, and in this case, the solutions have preserved the essential features of the envelope because of the need to preserve the building by its representative character, and also by restrictions arising with the need for preservation of its architecture. Still, supported these results, we could demonstrate the financial feasibility for implementation of these projects. KEYWORDS: Retrofit. Envelopment. Regulation.

1 INTRODUÇÃO Diante da escassez de recursos energéticos e do impacto ambiental ocasionado pelas diversas formas de geração de energia, tem-se difundido mundialmente a necessidade de conservação e uso racional de energia, reduzindo-se gastos e eliminando os desperdícios. As edificações têm lugar de destaque no consumo total de energia elétrica. Segundo dados do Programa Nacional de Conservação de Energia (Procel), as edificações são responsáveis por aproximadamente 44,5% do consumo de energia elétrica do Brasil. Os edifícios de escritórios, nesse panorama, representam o maior percentual de consumo de energia no país entre as edificações (22,4%) (BEN, 2007). A maioria desperdiça considerável parcela de energia para a obtenção de conforto ambiental devido à não incorporação em seus projetos dos 102

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importantes avanços ocorridos nas áreas da arquitetura bioclimática, materiais e tecnologias construtivas. As edificações mais antigas são confrontadas aos padrões de qualidade e segurança que temos hoje, uma vez que foram concebidas e projetadas segundo seu período na história, nos levando a concluir que elas devem, na medida do possível, passar por um processo de atualização, através de estudos conceituais, tornandoas compatíveis com as tecnologias atuais. Cabe ao arquiteto a função de projetar e de gerenciar, levando em conta os conceitos de sustentabilidade, segurança (física e social) e manutenção nas possíveis alterações pós-ocupação. Nesse contexto, este trabalho visa investigar as alternativas de retrofit1 da envoltória2 de uma tipologia de edifícios de escritórios, no caso, um dos edifícios dos Ministérios (sede do Poder Executivo), localizado na Esplanada dos Ministérios, otimizando seu desempenho térmico e energético, mas preservando a arquitetura original e o valor cultural do edifício. Para a avaliação do desempenho da envoltória, utiliza-se a metodologia da simulação, válida para edifícios condicionados e não condicionados, do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ). Esse regulamento foi elaborado pelo Laboratório de Eficiência Energética de Edificações (LABEEE/UFSC), através do convênio com o Procel Edifica/Eletrobrás (2004), sendo recentemente aprovado pelo Inmetro, pela Portaria MDIC nº 163, de 8 de junho de 2009. A simulação do desempenho termoenergético da envoltória é avaliado através do programa de simulação computacional EnergyPlus e de sua interface gráfica, o programa DesignBuilder, sendo testadas, parametricamente, as variáveis arquitetônicas que se apresentarem potencialmente viáveis para aplicação no objeto de estudo, tendo como premissas a busca da qualidade ambiental, a eficiência energética da edificação e o custo de implantação. O resultado deste trabalho expressa um indicador comparativo da eficiência da envoltória aplicado em tipologia de edifícios de escritórios existentes, para a zona climática da cidade de Brasília. Com respaldo nesses resultados, será possível demonstrar a viabilidade financeira para a proposição de retrofits visando a melhorias em qualidade ambiental e eficiência energética. Entretanto, nesse caso, as soluções deverão preservar as características essenciais da envoltória, devido à necessidade de preservação do edifício por seu caráter representativo e também pelas restrições advindas da necessidade de preservação de sua arquitetura. Pelo Artigo 38 da Lei Federal nº 3.751, de 13 de abril de 1960 (Lei Santiago Dantas), o Plano Piloto se constituiu em objeto de proteção legal, no que se refere à manutenção dos princípios de projeto, desde sua inauguração. 103

2 OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo geral a investigação de alternativas para o retrofit da envoltória de edifícios de escritórios, considerando a melhoria do desempenho térmico e energético, especificamente em tipologias representativas da cidade de Brasília, com foco na preservação das características originais da arquitetura moderna. Os objetivos específicos são: 1. Analisar os aspectos técnicos relacionados à envoltória de edificações e suas consequências na qualidade ambiental e eficiência energética de edificações para escritórios; 2. Aplicar a metodologia da simulação do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (Procel Edifica/Eletrobrás) no estudo de caso; 3. Analisar os resultados em melhorias do conforto térmico e eficiência energética, através da etiquetagem e classificação das propostas de retrofit da envoltória do edifício, objeto do estudo de caso; e 4. Investigar a viabilidade técnica e financeira para a proposição de retrofit de envoltória em edifícios de escritórios, visando a melhorias em qualidade ambiental e eficiência energética.

3 CARACTERIZAÇÃO DA EDIFICAÇÃO O edifício estudado é um dos edifícios dos Ministérios, localizado ao longo do eixo monumental, no trecho compreendido entre a Catedral e o Congresso Nacional. Esse complexo é formado por 17 prédios, que foram dispostos em sequência e com a mesma conformação, dez de um lado e sete do outro, ao longo do canteiro central da denominada Esplanada dos Ministérios, em Brasília. O edifício apresenta volume prismático, com formato retangular, com largura e comprimento na proporção de aproximadamente 1:6, apresentando as fachadas maiores expostas à radiação solar com orientações de 108º/288º (leste/oeste) e 18º/198º (norte/sul). Sobrepondo a forma da edificação predominante à carta solar, conforme a orientação citada (Figura 1), verifica-se que a fachada leste (108º) recebe a insolação durante toda a manhã ao longo do ano, sendo mais intensa nos meses de dezembro a fevereiro, quando o sol incide diretamente das 5h30min às 12h, aproximadamente. A fachada oeste (288º) recebe o sol da tarde durante todo o ano, principalmente nos meses mais frios, a partir das 11h.

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Figura 1 – Orientação predominante dos edifícios dos Ministérios

3.1 Configuração espacial interna e caracterização do envelope O projeto apresenta formato retangular, medindo 17,53 m x 102,75 m x 39,10 m. É composto de um térreo e mais nove pavimentos, onde se distribuem os escritórios e gabinetes ao longo de um corredor central (Figura 2), dois subsolos com a mesma configuração espacial do pavimento-tipo, sendo o 2º subsolo composto principalmente por depósitos e salas para arquivamento de processos. Contínuos ao 1º subsolo, mas ultrapassando a projeção do edifício, estão situados a garagem, a marcenaria, uma pequena área administrativa composta do setor de transportes, o depósito do almoxarifado, a casa de máquinas e outros depósitos com finalidades diversas.

Figura 2 – Planta baixa de um pavimento-tipo

As empenas cegas, norte e sul, são revestidas com cerâmica na cor gelo, e as fachadas maiores, leste e oeste, são vedadas com vidro de 6 mm temperado incolor, tendo sido na fachada leste instalada, recentemente, uma película prata espelhada, da marca Intercontrol. As janelas são de piso ao teto, executadas seguindo a modulação de 1,70 m, com abertura na parte superior, do tipo bas-

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culante, com 64 cm de altura. As básculas são em perfil metálico na cor cinza, abrindo para fora da sala. Na década de 70, foram incorporados na fachada oeste os brises verticais, executados pela empresa Irmãos Gravia, em chapa de aço galvanizada e pintura automotiva na cor verde-nilo, onde as lâminas verticais possuem 15 cm de profundidade, 3,5 cm de largura na parte intermediária do perfil e altura variável, de acordo com o pavimento, caracterizando-se como brise finito (Silva, 2007).

4 CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DA ENVOLTÓRIA - METODOLOGIA DA SIMULAÇÃO A metodologia da simulação do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ) utiliza o método prescritivo e a simulação do desempenho termoenergético da envoltória para a classificação do nível de eficiência energética, a fim de obter a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE). Nesse processo, a comparação paramétrica entre os dois modelos representando a mesma edificação possibilita a avaliação das melhores soluções construtivas, beneficiando o conforto nos espaços de trabalho e a economia de energia elétrica. A avaliação do edifício através da simulação consiste inicialmente na construção do modelo real (com todas as características do edifício avaliado). Para isso, é necessário o atendimento aos pré-requisitos estabelecidos quanto ao programa computacional de simulação termoenergética e quanto ao arquivo climático a ser adotado. Essas exigências têm como objetivo principal garantir a obtenção de resultados simulados coerentes (Manual do RTQ, 2009). A segunda etapa dos trabalhos corresponde à criação dos modelos de referência, similares ao modelo real. Para isso, esses modelos deverão ser inicialmente submetidos à avaliação comparativa das envoltórias utilizando a metodologia prescritiva, para a determinação dos parâmetros construtivos que impactarão na eficiência energética, alterando a referência (etiqueta) do modelo. Na terceira etapa, os modelos de referência deverão ser simulados com o mesmo programa de simulação do modelo real, utilizando o mesmo arquivo climático. A partir dos resultados das simulações (consumo de energia), será possível a construção de propostas de retrofit (modelos propostos), modeladas de acordo com o nível de eficiência pretendido, ou seja, com o consumo de energia igual ou menor ao modelo de referência para o nível pretendido.

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4.1 Construção do modelo virtual Neste trabalho foi utilizado como ferramenta para a modelagem virtual e posterior simulação do desempenho térmico e energético da edificação o programa DesignBuilder, versão 1.6.9.003. Essa interface gráfica utiliza os algoritmos do EnergyPlus, versão 2.2.0.025, corrigindo suas limitações gráficas no processo de modelagem. A metodologia da simulação computacional termoenergética exige que a simulação seja realizada para um período de 1 ano (8.760 horas). Além disso, nesse processo foi necessário o fornecimento de dados referentes à locação do edifício, dados climáticos e propriedades do chão. O segundo passo na modelagem geométrica foi a importação do desenho “2D” do programa Autocad e, em seguida, a configuração dos parâmetros do desenho: pé-direito e a espessura das paredes. O edifício estudado corresponde a um volume prismático, com a projeção dos nove pavimentos exatamente iguais. O pavimento-tipo (1º pavimento) se repete até o 8º pavimento. Os demais (1º subsolo, térreo e 9º pavimento) apresentam planta baixa idêntica, divergindo apenas no pé-direito (Figura 3). Após a locação das paredes externas, são introduzidas as zonas referentes aos espaços internos com as mesmas características de ocupação, densidade de carga instalada (W/m2) e sistema de condicionamento de ar.

Figura 3 – Vista em perspectiva da fachada oeste (com brises verticais)

A seguir, são definidas as propriedades físicas e a configuração das superfícies externas e internas das zonas: paredes, teto, piso, janelas, etc., e inseridas as aberturas nas superfícies externas e nas partições internas. No modelo foram aplicados os materiais utilizados na construção do edifício, objeto de estudo, descritos a seguir: • paredes externas – refere-se somente às empenas, visto que as fachadas leste e oeste são totalmente envidraçadas. Compostas de alvenaria de tijolo cerâmico deitado com 20 cm, emboço externo e interno com 2,5 cm, argamassa interna 107

e externa com 2,5 cm e revestimento externo em cerâmica, na cor gelo, e interno, em pintura acrílica, na cor branca, com espessura total de 29 cm; • partições internas – divisórias piso-teto, de meio painel cego e meio de vidro transparente incolor com 4 mm, sendo o painel cego composto de sanduíche de MDF de 1,9 mm, revestido em laminado melamínico na cor bege, com manta interna em fibra de vidro, com espessura total de 7 cm; • laje de piso – composta de laje maciça com 15 cm, regularização com argamassa de 2 cm e piso vinílico; • lajes intermediárias e de cobertura – compostas das camadas que vão desde o forro até o piso vinílico (lajes intermediárias) e desde o forro até as placas de concreto de recobrimento do betume asfáltico (laje de cobertura); • janelas de piso ao teto da fachada leste – compostas de esquadrias de ferro com pintura esmalte acetinada, na cor cinza, e vidro temperado de 6 mm transparente com película prata espelhada de controle solar, marca Intercontrol; e • janelas de piso ao teto da fachada oeste – idem à fachada leste, mas sem película de controle solar. Durante a modelagem de uma edificação, é necessário verificar a confiabilidade dos resultados e se os dados de entrada mais relevantes foram inseridos corretamente. A análise de sensibilidade (Westphal et al., 2005) é utilizada para indicar quais parâmetros exercem maior influência nos dados de saída sob estudo.

4.2 Definição das cargas térmicas Na utilização de ferramentas de simulação para análises térmicas e energéticas em edificações, é importante que o modelo represente com boa precisão o uso final de energia da edificação real para que as avaliações das propostas de melhorias nos sistemas não sejam comprometidas. A calibração é uma etapa necessária e importante, pois consiste em comparar dados de desempenho real com os de simulação, com o objetivo de corrigir as variáveis de entrada para melhorar a fidelidade do modelo. Para a correta simulação dos ambientes climatizados, foi de grande importância determinar a população de cada sala e do edifício objeto de estudo, bem como o levantamento de todas as fontes de dissipação de calor: iluminação, equipamentos e sistema de climatização. O programa DesignBuilder utiliza essas informações para determinar, na forma de rotinas, ou schedules, os horários de ocupação, operação de equipamentos e dos sistemas de iluminação e ar condicionado, e as temperaturas de setpoint. Dessa maneira, foi possível estimar a demanda de energia elétrica em cada hora, durante todo o ano.

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A presença de pessoas nos ambientes é definida por meio do quantitativo, atividade e horário de ocupação. A densidade calculada para as zonas 3 e 4 é de 0,16 pessoa/m². A geração de calor metabólico considerada para uma pessoa trabalhando em um escritório, sentada, é de 70 W/m2 (ASHRAE, 2001). Outra importante fonte de dissipação de calor é a iluminação artificial. Os ambientes analisados possuem iluminação artificial através de conjuntos de lâmpadas fluorescentes 2x40 W, com reator de partida rápida interno, dispostos ao longo de uma calha contínua, obedecendo à modulação do edifício. Apesar de um terço das lâmpadas ter sido projetado para segurança, verificouse que 100% permanecem ligadas durante o expediente, caracterizando um consumo total de 15 W/m². Para análise do consumo elétrico total, foi feita uma amostragem da quantidade de equipamentos utilizados nos escritórios. Verificou-se que 90% dos funcionários tinham computadores e que as impressoras existiam na proporção de 1:2 funcionários. O sistema de condicionamento de ar é composto de aparelhos de expansão direta, mini-splits da marca Trane, com a capacidade em BTU/h correspondente à área de resfriamento, grau de isolamento, exposição ao sol e número de pessoas por ambiente. Nas zonas térmicas, seguindo o critério de uniformização que a modulação preestabelece, foi determinado o valor de COP, através da média ponderada dos valores informados pelo fabricante pela área que ocupam. Assim, o valor COP declarado ao programa foi 3.

4.3 Calibração do modelo Neste trabalho, a primeira etapa da calibração consistiu em representar as cargas constantes, sem dependência do clima externo (iluminação e equipamentos) e seus padrões de uso. O levantamento dessas cargas (potência instalada e padrão de uso) foi realizado mediante visitas ao edifício, pelas entrevistas informais aos usuários e pela análise das contas de energia elétrica para identificação do consumo, em KWh/mês, e gastos com energia elétrica. Essas faturas foram fornecidas pela Gerência de Manutenção do edifício e correspondem a um ciclo completo (janeiro a dezembro de 2008), como mostrado na Tabela 1. A análise paramétrica dos valores das cargas de iluminação tornou possível a calibragem do modelo nessa etapa inicial.

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Tabela 1 – Consumo de energia elétrica mensal fornecido pelas faturas das contas de energia (2008) Data

Equipamentos Consumo Ar-condic. e iluminação Total (KWh) (KWh) (KWh)

Equipamentos e Ar-Condic. Total (R$) iluminação (R$) (R$)

01/08

108.674

65.029

173.703

32.924,53

24.043,82 56.968,35

02/08

112.294

83.540

195.834

32.097,18

28.551,13 60.648,31

03/08

114.941

92.035

206.976

33.015,07

29.133,02 62.148,09

04/08

116.420

65.112

181.532

36.572,90

26.448,00 63.020,90

05/08

119.138

73.536

192.674

37.087,96

28.186,14 65.274,10

06/08

125.708

52.214

177.922

40.178,91

23.377,11 63.556,02

07/08

129.349

44.525

173.874

41.501,95

21.590,55 63.092,50

08/08

123.212

44.934

168.146

39.660,04

21.600,10 61.260,14

09/08

125.567

73.536

199.103

43.749,64

28.186,14 71.935,78

10/08

125.438

89.435

214.873

42.875,98

32.633,50 75.509,48

11/08

121.639

106.333

227.972

39.238,37

35.280,56 74.518,93

12/08

126.642

78.245

204.887

38.547,12

27.334,05 65.881,17

Total

1.449.022

868.474

2.317.496

457.449,65

326.364,12 783.813,77

Foram realizadas 12 simulações para que os resultados expressassem a precisão desejada: uma margem de erro menor que 20%, em média, entre o consumo elétrico real mensal e o simulado para equipamentos e iluminação. Tabela 2 – Comparação entre o consumo do edifício real e o do modelado calibrado

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Data

Modelo real (KWh)

Modelo calibrado (KWh)

Diferença (KWh)

Diferença (%)

Janeiro

173.703

193.440,90

19.737,90

11,36

Fevereiro

195.834

175.323,50

-20.510,50

-10,47

Março

206.976

184.178

-22.798,00

-11,01

Abril

181.532

182.298,90

766,90

0,42

Maio

192.674

182.181,40

-10.492,60

-5,44

Junho

177.922

140.047,40

-37.874,60

-21,29

Julho

173.874

165.253,60

-8.620,40

-4,96

Agosto

168.146

166.080,70

-2.065,30

-1,23

Setembro

199.103

181.309

-17.794,00

-8,94

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Outubro

214.873

205.657,70

-9.215,30

-4,29

Novembro

227.972

173.751,90

-54.220,10

-23,78

Dezembro

204.887

178.213,50

-26.673,50

-13,01

Total

2.317.496

2.127.736,50

-189.759,50

-8,19

Verificou-se que, nos meses de junho e de novembro, a diferença ultrapassava a margem de erro de 20% e que o consumo total estimado pela simulação ultrapassava a margem de erro de 5%, recomendada para modelos calibrados. Analisando as faturas de energia elétrica do edifício, constatou-se que os valores correspondiam aos dez pavimentos e aos dois subsolos. O edifício modelado seguiu os pré-requisitos para análise do RTQ, visto que seus resultados finais seriam comparados, portanto não foi modelado o 2º subsolo, por não ter contato com o meio exterior. Como no 2º subsolo desse edifício existem somente áreas de depósitos e garagem (a área ocupada com atividades de escritório é mínima), não condicionadas artificialmente, pôde-se estimar o consumo de energia elétrica calculando-se a carga térmica do sistema de iluminação. A Tabela 3 resume esse consumo. Tabela 3 – Consumo estimado para o modelo calibrado considerando o 2º subsolo Consumo modelo calibrado (KWh)

Iluminação do 2° subsolo + garagem (KWh)

Total (KWh)

2.127.737

181.602

2.309.339

Feito o ajuste nos valores do modelo calibrado, a diferença entre o consumo do edifício real e o consumo do modelo calibrado demonstra o êxito da calibração do modelo, como visto na Tabela 4. Tabela 4 – Comparação entre o consumo do edifício real e o do modelado calibrado Data

Modelo real Consumo total (KWh)

Modelo calibrado Consumo total (KWh)

Diferença (KWh)

Diferença (%)

Janeiro

173.703

208.574

34.871

20,08

Fevereiro

195.834

190.457

-5.377

-2,75

Março

206.976

199.495

-7.481

-3,61

Abril

181.532

197.432

15.900

8,76

Maio

192.674

197.314

4.640

2,41

Junho

177.922

155.180

-22.742

-12,78

111

Julho

173.874

180.387

6.513

3,75

Agosto

168.146

181.214

13.068

7,77

Setembro

199.103

196.442

-2.661

-1,34

Outubro

214.873

220.791

5.918

2,75

Novembro

227.972

188.885

-39.087

-17,15

Dezembro

204.887

193.347

-11.540

-5,63

Total

2.317.496

2.309.518

-7.978

-0,34

4.4 Criação dos modelos de referência Para a avaliação da eficiência da envoltória, foram desenvolvidos quatro modelos de referência, um para cada nível de eficiência (A, B, C e D). Essa análise minuciosa é importante, haja vista proporcionar maior flexibilidade na escolha das alternativas de retrofit (modelos propostos) que apresentarão mais vantagens (viabilidade técnica e financeira). Os modelos de referência construídos serviram de base para comparação com o modelo real. De acordo com o RTQ, os modelos de referência foram modelados para atingir o nível de eficiência pretendido, no entanto alguns parâmetros são fixos em todos os modelos. A transmitância térmica e a absortância solar tiveram os valores máximos definidos pela metodologia prescritiva, para o nível de eficiência desejado. Da mesma forma, foi calculado o PAFt, de modo a se obter o maior percentual de aberturas para o nível desejado. Na Tabela 5, abaixo, apresentam-se os valores dos PAFts encontrados. Tabela 5 – Valor dos PAFts para os modelos de referência Modelos de Referência PAFts

0,15

0,24

0,34

D 0,44

Portanto, o modelo de referência A foi modelado com 15% de aberturas em suas fachadas. Essas aberturas foram distribuídas nas fachadas leste e oeste, na mesma proporção do modelo real. O mesmo foi feito em relação aos outros modelos.

4.4.1 Simulação dos modelos de referência Após a modelagem completa do edifício (modelo de referência A), foi rodada a simulação para um período completo de 1 ano (8.760 horas). Os valores com112

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parativos dos consumos mensais e anuais dos modelos de referência encontramse na Tabela 6. Pela análise dos parâmetros relacionados aos ganhos de calor pela janela, pôde-se deduzir que a variação dos dados de entrada do caso-base gerava variação do consumo do ar condicionado e que algumas variáveis de entrada de caracterização do envelope (fator solar e percentual de abertura nas fachadas) geravam uma diferença maior no consumo elétrico final, sem alterar as condições de conforto térmico. Em razão disso, alguns parâmetros de entrada relacionados aos ganhos de calor pelas janelas serão substituídos na modelagem dos edifícios propostos para verificar a influência destes no consumo final da edificação. Tabela 6 – Comparação dos valores de consumo (KWh) entre o modelo real e modelos de referência Data (meses do ano)

Edifício real (KWh)

Modelo calibrado (KWh)

Modelo de referência (Etiqueta D) (KWh)

Modelo de referência (Etiqueta C) (KWh)

Modelo de referência (Etiqueta B) (KWh)

Modelo de referência (Etiqueta A) (KWh)

173.703

193.441

193.038

183.848

174.051

167.646

195.834

175.324

174.701

165.353

155.415

148.963

206.976

184.178

183.949

174.133

163.926

157.394

181.532

182.299

181.615

173.434

165.123

159.785

192.674

182.181

180.505

173.636

166.749

162.278

177.922

140.047

139.067

134.134

129.564

126.653

173.874

165.254

163.968

157.841

152.165

148.595

168.146

166.081

164.586

157.465

150.668

146.395

199.103

181.309

179.591

170.648

161.233

154.945

214.873

205.658

205.391

195.849

185.529

178.489

227.972

173.752

172.434

165.003

157.346

152.404

204.887

178.214

178.952

170.763

162.294

156.808

Total (KWh)

2.317.496

2.127.737

2.117.797

2.022.105

1.924.061 1.860.353,81

4.5 Caracterização dos modelos propostos Os modelos propostos neste estudo de caso representam as propostas de retrofit, os quais foram desenvolvidos para testar a viabilidade da incorporação de modificações na envoltória do modelo real através dos impactos dessas al113

terações na temperatura interna e na redução do consumo de energia, pela diminuição da energia de refrigeração demandada para manter as condições de conforto nas zonas.

4.5.1 Parâmetros analisados nas propostas de retrofit da envoltória Para analisar a influência do ganho de calor pelas aberturas e pelos fechamentos opacos da envoltória no conforto térmico dos usuários e no consumo de energia elétrica, de modo a estabelecer critérios, do ponto de vista qualitativo e quantitativo, para o retrofit de envoltória de edifícios de escritórios, foram simuladas as seguintes combinações: a) área de janela nas fachadas (WWR); b) fator solar do vidro; c) tipo de vidro; d) uso de isolante térmico EPS como fechamento opaco interno nas fachadas envidraçadas; e) uso de painel Wall como fechamento opaco interno nas fachadas envidraçadas; e f) uso de isolante térmico EPS na cobertura. As alternativas foram testadas nas fachadas leste e oeste simultaneamente. Para nomear as diferentes alternativas, foram atribuídas “letras” para cada um dos parâmetros definidos, conforme a Tabela 7. Já a Tabela 8 mostra como foram obtidas as diferentes alternativas de simulação a partir das variáveis. Tabela 7 – Valores adotados dos parâmetros nas simulações dos modelos propostos Parâmetros Percentual de abertura nas fachadas

Fator solar do vidro

Tipo de fachada

114

Valores adotados

Código

Peitoril interno com 85 cm

Peitoril interno com 110 cm

Sem alteração

Vidro loe

Vidro Cool Lite

Vidro+Película

Vidro Reflect Float

Vidro Cool Lite laminado

H I

Simples Dupla ventilado

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Isolante EPS aplicado internamente após câmara de ar

70 mm 90 mm

Painel Wall aplicado após câmara de ar

40 mm

Cobertura

Isolante EPS – 35 mm

Sem isolante

Tabela 8 – Demonstrativo dos arquivos das simulações a serem realizadas Parâmetros Modelo Proposto

PAF (%) A

Fator solar do vidro C

Tipo de fachada I

Fechamento Cobertura opaco L

P X

III

VII

VIII

X X

X X X

XII

XIII

XIV

X X

5 CLASSIFICAÇÃO E ETIQUETAGEM DAS PROPOSTAS DE RETROFIT Através das simulações no programa DesignBuilder, pôde-se avaliar o consumo de energia elétrica mensal dos modelos propostos (propostas de retrofit) e, consequentemente, seu desempenho energético. Pela metodologia da simulação do RTQ, a partir dos resultados das simulações, deve-se proceder á comparação 115

dos resultados de consumo de energia anual entre os modelos propostos e os modelos de referência para a classificação do nível de eficiência. Para isso, os modelos propostos deverão demonstrar que seus resultados são menores ou iguais ao modelo de referência para o nível de eficiência pretendido. Neste trabalho, são analisados os resultados referentes aos modelos propostos que conseguiram as etiquetas (ENCE) A e B.

Modelos propostos – etiqueta B Realizada a análise dos resultados, os seguintes modelos propostos foram classificados para se obter a etiqueta B do RTQ (ENCE): modelos propostos X, XI, XII, XIII e XV, por seus consumos anuais de energia elétrica terem sido menores que o do modelo de referência B e maiores que o do modelo de referência A, conforme a Tabela 9. Tabela 9 – Resultados de consumo de energia elétrica mensal e anual dos modelos propostos com a etiqueta B

116

Data (meses do ano)

Modelo de referência B

Modelo proposto X

Modelo proposto XI

Modelo proposto XII

Modelo proposto XIII

Modelo proposto XV

174.051

170.553

169.472

169.466

169.493

171.503

155.415

150.769

148.852

148.846

148.857

152.067

163.926

159.148

157.364

157.359

157.352

160.357

165.123

160.731

159.595

159.589

159.599

161.534

166.749

162.836

161.762

161.759

161.814

163.711

129.564

128.180

128.037

128.034

128.062

128.506

152.165

150.265

149.722

149.719

149.773

150.777

150.668

147.605

146.628

146.627

146.670

148.357

161.233

154.038

151.917

151.914

151.891

155.264

185.529

176.156

173.257

173.255

173.170

177.760

157.346

154.993

154.233

154.227

154.257

155.717

162.294

159.951

159.574

159.568

160.606

Total (KWh)

1.924.061

1.875.225

1.860.413

1.860.364

1.860.507

1.886.160

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Analisando o gráfico de conforto pelo método de Fanger (Figura 4), o índice PMV indica que todos os modelos propostos apresentam um percentual de desconforto abaixo do limite recomendado (–0,5) pela norma ISO 7730 nos meses de novembro, dezembro e janeiro. A Figura 4 mostra a evolução da temperatura média radiante durante o ano, demonstrando que em todos os casos as temperaturas se mantiveram dentro do recomendado para Brasília.

Figura 4 – Análise de conforto térmico das propostas etiqueta B pelo método de Fanger

Modelos propostos – etiqueta A Realizada a análise dos resultados, o modelo proposto XIV foi classificado com a etiqueta A do RTQ (ENCE), por seu consumo anual de energia elétrica ter sido menor que o do modelo de referência A, conforme demonstra a Tabela 10. Tabela 10 – Resultados de consumo de energia elétrica mensal e anual do modelo proposto com etiqueta A Data (meses do ano)

Modelo de referência A

Modelo proposto XIV

167.646

169.500

148.963

148.825

157.394

157.343

159.785

159.581

162.278

161.778

126.653

128.055

148.595

149.755

117

146.395

146.645

154.945

151.819

178.489

173.083

152.404

154.269

156.808

159.591

Total (KWh)

1.860.354

1.860.242

Analisando o gráfico de conforto pelo método de Fanger (Figura 5), o índice PMV indica que o modelo proposto XIV apresenta um percentual de desconforto abaixo do limite aceitável (–0,5) pela norma ISO 7730 nos meses de novembro, dezembro e janeiro. A Figura 5 mostra a evolução da temperatura média radiante durante o ano, demonstrando que ela se manteve dentro dos limites recomendados para Brasília.

Figura 5 – Análise de conforto térmico da proposta etiqueta A pelo método de Fanger

6 ANÁLISE ECONÔMICA DAS PROPOSTAS DE RETROFIT Após a classificação e etiquetagem das propostas de retrofit, realizou-se o levantamento dos custos diretos e indiretos das alterações sugeridas para cada modelo proposto. A seguir, aplicando a metodologia da ANEEL para projetos de eficiência energética, adotada também pelo RTQ, foi calculado o índice RCB (relação custo-benefício) para avaliação da viabilidade financeira de cada proposta.

118

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Modelos propostos – etiqueta A A única proposta de retrofit contemplada com a etiqueta A foi a representada pelo modelo proposto XIV. Esta proposta reduz o consumo anual de energia elétrica em 267.495 KWh (12,57%), em relação ao modelo real (etiqueta E). Para a implementação da proposta será necessário um investimento de R$ 1.120.151,13. Nesse valor estão incluídos a instalação de película de controle solar prata refletiva, da marca 3M, na fachada oeste, a instalação, nas fachadas leste e oeste, de parede interna constituída de painel EPS com 9 cm (com 85 cm) e esquadria de correr com vidro Cool Lite 120-PR-5.5.1, da marca Cebrace. Entretanto, pelo alto custo da implementação de tais medidas, a RCB foi de 1,32, ficando acima do valor máximo permitido pela ANEEL para projetos de eficiência energética, que seria de 0,80, tornando a proposta inviável.

Modelos propostos – etiqueta B Entre os modelos propostos que receberam a etiqueta B, o único considerado viável foi o modelo proposto X. Este modelo reduziu o consumo anual de energia elétrica em 252.512 KWh (11,86%) em relação ao modelo real (etiqueta E). Para a implementação da proposta será necessário um investimento de R$ 594.354,35. Neste valor estão incluídos o isolamento da cobertura com painel EPS de 35 mm, a instalação de telhado em fibrocimento, a instalação de película de controle solar prata refletiva, da marca 3M, na fachada oeste, e a instalação, nas fachadas leste e oeste, de meia parede interna constituída de painel EPS com 7 cm, com 85 cm. A RCB foi de 0,75, ficando também abaixo do valor máximo permitido pela ANEEL para projetos de eficiência energética. Através do cálculo do Payback, o retorno do investimento se dará a partir do oitavo ano.

7 CONCLUSÕES A escolha de um dos Ministérios da Esplanada, em Brasília, projetado por Oscar Niemeyer, exemplo da produção modernista no Brasil, como estudo de caso deste trabalho, representou um desafio. O edifício analisado, como também os outros existentes com as mesmas características arquitetônicas, exigem intervenções que garantam o conforto térmico de seus usuários, reduzindo sua dependência da energia elétrica. Entretanto, nos edifícios dos Ministérios predomina a natureza de bem cultural. Nesse caso, as intervenções 119

devem ser conduzidas observando-se o conceito de reabilitação, ou seja, através de reparações, alterações e acréscimos, que preservem, ao mesmo tempo, as partes ou características que transmitem os seus valores histórico, cultural e arquitetônico. Cumprindo essa premissa, este trabalho analisou as alternativas de retrofit da envoltória do edifício sob estudo, de modo a otimizar seu desempenho térmico e energético. Para a classificação do nível de eficiência energética foi utilizado o Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos, no âmbito do programa Procel Edifica/Eletrobrás/Inmetro. Na análise financeira das propostas de retrofit de envoltória, foi possível notar uma expressiva diferença no valor do investimento a favor da proposta que utilizou película de controle solar, que reduziu em 30% o percentual de abertura nas fachadas, através da utilização de fechamentos opacos isolantes térmicos (EPS) e propôs o isolamento da cobertura. Essa proposta, representada pelo modelo proposto X, foi a única com a relação custo-benefício considerada viável (menor que 0,80) pela ANEEL para projetos de eficiência energética. Nessa alternativa, as medidas conjuntamente simuladas geraram uma redução da ordem de 25% na potência de refrigeração e de 11,86% no consumo elétrico. As propostas que tiveram como uma das alternativas testadas a substituição dos vidros existentes ou a construção de parede interna com vidros de alta performance energética demonstraram ser inviáveis pelo alto custo de implementação dessas medidas. A intervenção no objeto de estudo demonstrou que, a partir da identificação dos problemas ambientais e análise de paramétrica de materiais e componentes construtivos, utilizando a simulação computacional, é possível reabilitar edifícios de escritórios, garantindo condições mais favoráveis de conforto, menor dependência dos sistemas mecânicos de condicionamento de ar, níveis mais elevados de eficiência energética e preservação de arquitetura original.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Manual para Elaboração de Programas de Eficiência Energética da ANNEL. http://www. aneel.gov.br/arquivos/PDF/aren2008300_2.pdf, 15 ago. 2009. BRASIL. Lei n. 10295, de 17 de outubro de 2001. Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. Lex: Diário Oficial da União, Brasília, 2001a. http://www.inmetro.gov.br/qualidade/lei10295.pdf, 17 mar. 2008. BRASIL. Decreto n. 4.059, de 19 de dezembro de 2001. Regulamenta a Lei n. 10.295, de 17 de outubro de 2001, que dispõe sobre a Política Nacional de 120

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Conservação e Uso Racional de Energia, e dá outras providências. Lex: Diário Oficial da União, Brasília, 2001b. http://www.mme.gov.br/ministerio/legislacao/ decretos/Decreto%20nº%204.059-2001.html, 17 mar. 2008. ELETROBRÁS. Potencial de Conservação de Energia Elétrica 2004. http://www. eletrobras.gov.br/procel/site/novidades/noticias_1041.asp, 21 mar. 2008. ELETROBRÁS. Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. ASHRAE Standard 90.1, 2004. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, 2004. MENDES, N; WESTPHAL, FS; LAMBERTS, R; CUNHA NETO, JAB. Uso de instrumentos computacionais para análise do desempenho térmico e energético de edificações no Brasil. Revista Ambiente Construído, v. 5, n. 4, p. 47-48, out./dez. 2005. MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA – MME. Balanço Energético Nacional, 2007. http://www.mme.gov.br, 18 jan. 2008. PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA – PROCEL. Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos. Versão aprovada pelo INMETRO pela Portaria MDIC nº 163 de 08/06/2009. http:// www.inmetro.gov.br/legislacao/rtac, 15 maio 2009. SILVA, JS. A eficiência do brise-soleil em edifícios públicos de escritórios: estudo de casos no plano piloto de brasília. Dissertação de Mestrado, Programa de PósGraduação em Arquitetura e Urbanismo, Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, UnB, Brasília, 2007. WESTPHAL, FS; LAMBERTS, R. Building simulation calibration using sensitivity analysis. In: International IBPSA Conference, 9, Builiding Simulation 2005, Montreal: IBPSA, 2005. p. 1331-1338.

NOTAS 1 A Norma de Desempenho Brasileira (NBR 15575 -1) define retrofit como remodelação ou atualização do edifício ou de sistemas, pela incorporação de novas tecnologias e conceitos, a qual, normalmente visa à valorização do móvel, mudança de uso, aumento da vida útil e melhoria da eficiência operacional e energética. 2 Segundo o Procel (2008, p. 11), envoltória são os “planos externos da edificação, compostos por fachadas, empenas, cobertura, brises, marquises e aberturas, assim como quaisquer elementos que os compõem”.

<<< 121

>>> MODELAGEM DO POTENCIAL EÓLICO DO NORDESTE BRASILEIRO SOB CONDIÇÕES ATUAIS E DE AQUECIMENTO GLOBAL Bruno Lopes De Faria

RESUMO Neste estudo avaliou-se o potencial eólico do Nordeste brasileiro sob as condições climáticas atuais e anomalias futuras, perante um cenário de aquecimento global, fazendo uso do modelo matemático climático regional MM5 e rotinas no software GRADS. Nossos resultados mostraram que, em um cenário futuro, todas as estações do ano apresentaram tendências de intensificação da energia cinética, tendo as anomalias mais evidentes ocorrido na primavera. É interessante notar que as anomalias no verão e no outono são bem menores que as projetadas para a segunda metade do ano. Isso mostra a viabilidade de aplicação de plantas eólicas nessa região do Brasil tanto para o período atual como para um cenário futuro de aquecimento global, possibilitando assim complementar a matriz energética durante o período de seca e racionalizando a economia de água para a utilização nas culturas agrícolas. PALAVRAS-CHAVE: Vento. Modelagem numérica. Energia eólica.

ABSTRACT In this paper we evaluate the potential for generating wind power in northeast Brazil under two distinct climatic conditions,: current and future conditions under global warming scenario. The study is conducted with the MM5 regional climate model. Based on the results we have identified the áreas suitable for the wind power plant installation in South America. Morever it was determined under global warming conditions that thre exist an increase of potential wind Power in the Northeast of Brazil. This may shed some light on the viability of using wind power to reduce the eletrical consuption in agricultural activities during the dry season. KEYWORDS: Wind. Models (Mathematical). Wind power. 123

1 INTRODUÇÃO A falta de informações sobre a variabilidade, tendências e fatores que influenciam a disponibilidade de recursos renováveis (ex.: solar, eólico) é a principal barreira para a adoção e o investimento no desenvolvimento de projetos de produção de energia. A energia eólica destaca-se por apresentar possibilidade de complementar a matriz energética durante o período de seca, possibilitando a economia de água para a utilização nas culturas agrícolas. Um dos maiores obstáculos ao dimensionamento do potencial eólico de determinada região reside na ausência de dados observacionais bem como na dificuldade em instalar pontos para aquisição deles. O conhecimento do comportamento e das características dos ventos promove a compreensão dos principais aspectos científicos necessários a uma adequada modelagem eólica regional (Silva et al. 2004). Para esse fim, modelos atmosféricos em alta resolução têm sido empregados com sucesso para a produção do mapeamento eólico de uma região. A atmosfera é caracterizada por um elevado número de Reynolds e pela ausência de uma subcamada viscosa. Dessa forma, a modelagem matemática do escoamento próximo à superfície rugosa deve ser efetuada utilizando-se as chamadas “funções de contorno”. Diversos modelos de micro e mesoescalas foram propostos na literatura para a simulação do escoamento de vento tridimensional sobre topologias complexas (Huser et al., 1997; Montovan, 1998; Uchida e Onya, 1999). Estudos que envolvem a interação entre as diferentes escalas dos fluidos geofísicos, no caso do dimensionamento eólico de meso para microescalas, na maior parte dos casos, foram conduzidos para condições climáticas atuais. Soma-se a isso o fato de que essas investigações são conduzidas com modelos climáticos regionais que incluem várias parametrizações da camada limite atmosférica, limitando processos de turbulência que são importantes para a determinação do vento em terrenos com alta razão de aspecto. Em decorrência do exposto acima, neste trabalho investiga-se, com base em um modelo regional de clima, bem como em um modelo de microescala (turbulência), o potencial eólico de uma parte do Nordeste brasileiro. O estudo é conduzido sob duas condições climáticas: a atual e sob um cenário de aquecimento global.

2 METODOLOGIA Neste estudo pretende-se avaliar o potencial eólico sob as condições climáticas atuais e de aquecimento global, fazendo-se uso de dois conjuntos de modelos matemáticos, a saber: a) o modelo climático regional MM5; e b) duas aproximações 124

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de modelos de microescala; Espera-se, ao final do projeto, dispor de uma análise sistemática e bem detalhada do potencial eólico do Nordeste brasileiro, bem como dos possíveis efeitos das condições climáticas anômalas (aquecimento global) no ganho/perda da matriz energética brasileira no que tange à energia eólica. O uso de modelos com diferentes complexidades, bem como a aplicação de diferentes metodologias para o cálculo do potencial eólico, é de suma importância para aumentar a confiabilidade das estimativas, e assim dispor de uma malha representativa da capacidade de geração desse tipo de energia no Brasil. Deve-se notar, ainda, que as estimativas para o cenário futuro são de relevância ímpar no que se refere à mitigação dos efeitos dos gases de efeito estufa, bem como são úteis para um planejamento futuro da matriz energética brasileira.

Área de estudo (modelo regional) A região de estudo abrange o Nordeste brasileiro, localizado entre as latitudes 12º e 2º S e longitudes 42º e 34 º W, no período atual (1980-2000) e futuro (2080-2100), com aquecimento global. Foram utilizados os dados obtidos no MM5 contendo vento, nas suas componentes zonal e meridional, medidos a 10 m. Análises preliminares foram feitas por meio do software GRADS (Grid Analysis and Display System), de domínio público, que representa uma poderosa ferramenta de processamento e manipulação de dados. Inicialmente, desenvolveram-se rotinas para extrair dos dados obtidos a magnitude do vento. Em seguida, foi feito o cálculo de sua energia cinética (potencial eólico). É possível uma análise detalhada do potencial eólico da região do Nordeste brasileiro, bem como dos possíveis efeitos das condições climáticas anômalas (aquecimento global) no ganho/perda da matriz energética brasileira no que tange à energia eólica. Na região em estudo foram feitas análises sazonais correspondentes a cada estação do ano. Notadamente, a região Nordeste possui grandes jazidas eólicas. A Figura 1 mostra a distribuição da energia cinética proveniente da simulação com o MM5 para o período atual (1980-2000). Destacam-se o interior do Ceará e a região do agreste nordestino com os mais elevados índices de energia cinética dos ventos (Figura 1a). É possível verificar que o outono é a época do ano com menores magnitudes dos ventos; o contrário se observa para o inverno e para a primavera (Figuras 1c e 1d), sendo estas as estações do ano com o maior potencial eólico. A Figura 2 mostra as diferenças entre as previsões do vento para o futuro e para o período atual. No cenário futuro, todas as estações do ano mostram tendências de intensificação da energia cinética, ocorrendo as anomalias mais 125

evidentes na primavera (Figura 2d). É interessante notar que as anomalias no verão e no outono (Figuras 2a e 2b) são bem menores que as projetadas para a segunda metade do ano. Isso mostra a viabilidade de aplicação de plantas eólicas nessa região do Brasil tanto para o período atual quanto para um cenário futuro de aquecimento global.

Figura 1 – Energia cinética intensiva do vento (m2/s2) em período sazonal: (a) dezembro, janeiro e fevereiro; (b) março abril e maio; (c) junho julho e agosto; (d) setembro, outubro e novembro

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Figura 2 – Energia cinética intensiva do vento (m2/s2). Anomalias entre aquecimento global e período atual: (a) dezembro, janeiro e fevereiro (b) março abril e maio (c) junho julho e agosto (d) setembro, outubro e novembro

3 CUSTO DA ENERGIA EÓLICA Considerando o grande potencial eólico existente no Brasil, confirmado através de medidas de vento precisas realizadas recentemente, é possível produzir eletricidade a custos competitivos com centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas. Análises dos recursos eólicos medidos em vários locais do Brasil mostram a possibilidade de geração elétrica com custos da ordem de US$ 70 a US$ 80 por MWh. De acordo com estudos da Eletrobrás, o custo da energia elétrica gerada através de novas usinas hidroelétricas construídas na região amazônica será bem 127

mais alto que os custos das usinas implantadas até hoje. Quase 70% dos projetos possíveis deverão ter custos de geração maiores do que a energia gerada por turbinas eólicas. Outra vantagem das centrais eólicas em relação às usinas hidroelétricas é que quase toda a área ocupada pela central eólica pode ser utilizada (para agricultura, pecuária, etc.) ou preservada como habitat natural. A energia eólica poderá também resolver o grande dilema do uso da água do Rio São Francisco no Nordeste (água para gerar eletricidade versus água para irrigação). Grandes projetos de irrigação às margens do rio e/ou envolvendo a transposição das águas do rio para outras áreas podem causar um grande impacto no volume de água dos reservatórios das usinas hidrelétricas e, consequentemente, prejudicar o fornecimento de energia para a região. Entretanto, observando o gráfico abaixo, percebe-se que as maiores velocidades de vento no Nordeste do Brasil ocorrem justamente quando o fluxo de água do Rio São Francisco é mínimo. Logo, as centrais eólicas instaladas no Nordeste poderão produzir grandes quantidades de energia elétrica, de forma a evitar que se tenha que utilizar a água do Rio São Francisco.

Figura 3 – Comparação entre o fluxo de água do Rio São Francisco e o regime de vento no Nordeste do Brasil

4 DESENVOLVIMENTO 4.1 Descrição dos modelos - MM5 (modelo regional) O Sistema MM5 é um modelo de simulação numérica desenvolvido no final da década de 70 pela Pennsylvania State University (National Center for Atmospheric Research). Atualmente se encontra na quinta geração e possui como características principais a capacidade de múltiplos aninhamentos de grade, dinâmica 128

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não hidrostática e assimilação de dados em quatro dimensões, além de várias parametrizações físicas e portabilidade em diversas plataformas computacionais, incluindo o sistema Linux. O MM5 utiliza um sistema de coordenadas sigma que segue a topografia do terreno e resolve as equações de Navier-Stokes em três dimensões, a equação da continuidade, a Primeira Lei da Termodinâmica e a equação de transferência radiativa. Numa breve descrição, a simulação inclui: parametrização de cúmulos de Kain-Fritsch (Kain e Fritsch, 1993), parametrização de cúmulos raso de Dudhia e Stauffer (1999) e o esquema planetário da camada de limite de “MediumRange Forecast” (MRF, Hong e Pan, 1996). O gelo da nuvem é incluído usandose “o esquema do gelo simples”. A resolução horizontal é de 60 km, com 24 ¾ níveis verticais de 55 S a 12 N, e de 28 W a 92 W. Esse domínio permite que a temperatura do mar perto do continente influencie o clima dentro do modelo regional e coloca os limites laterais quase exclusivamente sobre os oceanos. Isso é importante porque, dessa forma, é possível introduzir as condições dos modelos globais que refletem condições em grande escala. A parametrização do modelo da superfície continental (LSM, Chen e Dudhia, 2001) acopla os processos/fluxos de superfície à atmosfera.

4.2 Modelo numérico de microescala O interesse no uso de modelos de microescala está relacionado à capacidade que esses modelos possuem de lidar com altos valores do número de Reynolds (turbulência) presentes na camada-limite atmosférica (CLA). A CLA pode ser definida como uma fina camada adjacente à superfície da Terra (1 km a 2 km), em que o escoamento apresenta um elevado número de Reynolds. As direções horizontais são associadas às condições de contorno, de tal forma que, para cada variável primitiva A, tem-se:

em que Lx e Ly são as dimensões do domínio nas direções x e y respectivamente; e m e n são números inteiros positivos ou negativos. Essa forma de representar as condições de contorno é adequada para a simulação de escoamentos em que as condições de entrada e saída do domínio são predominantemente turbulentas e desenvolvidas. A definição do domínio de cálculo deve incluir distâncias suficientes a partir da região de interesse, de tal forma que seja garantido o desenvolvimento do escoamento, a partir do ponto em que este atravesse as fronteiras Lx e Ly. O contorno superior do domínio será prescrito acima da camada-limite 129

atmosférica, ou seja, acima de 500 m da superfície da CLA. Nessa altitude, o escoamento é considerado estável o suficiente para que a condição de Neumann possa ser imposta a todas as variáveis do escoamento. A relevância desse contorno se deve ao fato de a produção mecânica da turbulência ser decorrente da ação de forças de arrastem sobre a superfície e, ainda, pelos fluxos de calor responsáveis pelo fato de os movimentos convectivos serem originados da superfície. As transferências entre campos escalares e quantidade de movimento entre o escoamento e a superfície são descritas por equações de transferências instantâneas. Tomando como condições iniciais os dados de vento simulados com o modelo regional MM5 para as duas épocas, as equações médias de Navier-Stokes com funções de contorno nos modelos de turbulência serão resolvidas numericamente por meio do método de volumes finitos em malhas híbridas e não estruturadas. Os modelos de turbulência propostos neste trabalho estão subdivididos em dois grupos: modelos de duas equações; e modelos baseados no tensor de Reynolds. Os modelos de duas equações avaliados são os modelos k-ε (Jones e Launder, 1972), k-ε, baseado na renormalização de grupos (RNG k-ε) (Yakhota e Orszag, 1986), k-ε (Wilcox, 1986) e SST k-ε (Shear Stress Transported k-ε based model) (Menter, 1994). As equações da continuidade e da quantidade de movimento são descritas como:

em que Ui e Uj são as velocidades médias e de flutuação respectivamente; p é a pressão; ρ é a densidade; V é a viscosidade cinemática; e ηj é a velocidade angular de rotação da Terra. O tensor de Reynolds (−uiuj) pode ser expresso de diversas formas, e as equações resultantes para esse tensor permitem o acoplamento dos modelos de turbulência nas equações de conservação da quantidade de movimento. Apesar de muitos modelos atmosféricos serem definidos para regime transiente, o modelo proposto é considerado em regime permanente. Essa consideração é justificada pela elevada escala de tempo característica do desenvolvimento das condições atmosféricas em relação às escalas de tempo características do escamento de vento em baixas altitudes. No presente trabalho, as forças de Coriolis e de empuxo são desconsideradas. O principal interesse consiste no escoamento sobre uma topologia, em altitude inferior a 5 km. Dessa forma, as forças relacionadas com os efeitos de solo sobrepõem-se às forças de Coriolis. 130

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A rugosidade da topografia e a classe de estabilidade são parâmetros que influenciam grandemente o estado da atmosfera. Esses parâmetros são inclusos no modelo por meio das condições de contorno. As condições de contorno de entrada para a velocidade do vento, a energia cinética e a taxa de dissipação são especificadas na entrada do domínio como condições de Dirichlet. Esses perfis foram determinados por Ulden e Holtslag (1985) e incluem a classe de estabilidade, expressa pelo comprimento médio de Obukov e pela rugosidade da topologia. As equações de conservação serão resolvidas pelo programa CFX. Esse programa utiliza o esquema de volumes finitos em malhas híbridas. O acoplamento pressão-velocidade nas equações de conservação de massa e da quantidade de movimento é efetuado por meio de funções de interpolação de quarta ordem nas equações discretizadas, o que evita oscilações espúrias do campo de pressão, usuais em esquemas colocalizados. O método é similar àquele utilizado em Rhie e Chow (1983), com um número significativo de extensões, o que aumenta a robustez da discretização em situações em que ocorram variações abruptas de pressão. O software possui, resumidamente, as seguintes características: a) discretiza as equações de conservação pelo método de volumes finitos centrado no vértice; b) resolve problemas laminares e turbulentos tridimensionais; c) utiliza malhas não estruturadas e híbridas; d) resolve problemas conjugados de calor e escoamento fluido; e e) possui modelos para transmissão de calor por radiação. As características supracitadas proporcionam atrativos únicos e suficientes para a solução dos escoamentos geofísicos. A utilização de malhas não estruturadas compreende uma das maiores vantagens do software. Por meio desse tipo de malha, refinamentos de malha serão aplicados próximo às superfícies, onde grandes variações de velocidade e temperatura estão presentes. O CFX 5.5 funciona com três subsistemas distintos: CFX Build; CFX Solver; e CFX Post. O CFX Build e a primeira instância evocada, sendo utilizado para a definição da geometria do problema de interesse, do domínio de cálculo, do domínio fluido e respectivas propriedades, das condições iniciais e de contorno, e geração da malha. O CFX Solver é iniciado após a completa definição do domínio. Neste subsistema, os parâmetros de solução das equações algébricas discretizadas são definidos, e a solução numérica segregada das equações é iniciada. Os resultados são, a princípio, armazenados em arquivos binários para utilização posterior no próximo subsistema. O CFX Post e um pós-processador utilizado para visualizar e analisar os dados da simulação, proveniente do CFX Solver. Neste processador, é possível visualizar campos vetoriais, isocurvas e linhas de corrente, em espaços bi e tridimensionais. 131

No estudo do escoamento geofísico, o procedimento inicial é gerar o domínio de cálculo. No CFX (Build), um domínio tridimensional é definido por meio da associação de diversas superfícies em um sólido, denominado SOLIDO B-REP (boundary representated).

4.3 Área de estudo (modelo microescala) Para o modelo de microescala, foi escolhida uma região dentro do domínio do modelo regional localizada entre as latitudes 4º S e 5º S e longitudes 40º W e 41º W. Nota-se que, pela simulação com o modelo regional (Figura 1), essa região é de destaque no que tange à velocidade dos ventos e, consequentemente, à energia eólica.

Figura 4 – Topografia detalhada da área de estudo do modelo microescala

5 CONCLUSÃO O uso de modelos com diferentes complexidades, bem como a aplicação de diferentes metodologias para o cálculo do potencial eólico, é de suma importância para aumentar a confiabilidade das estimativas, e assim dispor de uma malha representativa da capacidade de geração desse tipo de energia no Brasil. Deve-se notar ainda que as estimativas para o cenário futuro é de relevância ímpar no que se refere à mitigação dos efeitos dos gases de efeito estufa, bem como são úteis para um planejamento futuro da matriz energética brasileira. Nossos resultados mostraram a grande estrela do potencial eólico nacional (o Nordeste brasileiro) e como a energia eólica poderá também resolver o grande dilema do uso da água do Rio São Francisco no Nordeste (água para gerar eletricidade versus água para irrigação). É interessante notar que as anomalias no verão e no outono são bem menores que as projetadas para a segunda metade do 132

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ano. Isso mostra a viabilidade de aplicação de plantas eólicas nessa região do Brasil, tanto para o período atual como para um cenário futuro de aquecimento global. Isso possibilita complementar a matriz energética durante o período de seca, racionalizando a economia de água para a utilização nas culturas agrícolas.

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>>> O SOL: CAMINHO PARA A SUSTENTABILIDADE ENERGÉTICA DE UMA CASA-CONTÊINER Clarissa Debiazi Zomer

RESUMO A reutilização de contêineres para uso residencial se apresenta com força e personalidade no cenário da arquitetura contemporânea mundial. As vantagens são notáveis: menores custos, tempo de obra reduzido, além de abranger valores de reciclagem e sustentabilidade. Neste estudo estimou-se o consumo mensal de uma casa-contêiner, obtendo-se o valor de 149 kWh/mês. Quatro sistemas foram propostos, cada um composto de uma tecnologia fotovoltaica. Os sistemas 1 e 2, compostos de módulos de primeira geração, utilizam apenas a área de cobertura, enquanto os sistemas 3 e 4, compostos de módulos de segunda e terceira geração, utilizam também as fachadas. A potência instalada varia de 1,47 kWp a 1,90 kWp. Diante da análise de geração fotovoltaica, os sistemas 1 e 2 tiveram um melhor desempenho nos meses de verão, mas precisariam de mais energia proveniente da rede pública no período de inverno. Os sistemas 3 e 4 apresentaram uma distribuição mais uniforme. Apesar disso, todos apresentaram balanço energético anual igual a zero. Em relação aos custos, mesmo utilizando uma potência instalada 29% maior que o sistema 1, o sistema 4 apresentou um custo de apenas 35% do valor do primeiro. Em relação ao sistema 3, o custo do sistema 4 foi 44% menor. Portanto, convém avaliar exatamente o que se deseja ao optar por uma tecnologia fotovoltaica, pois nem sempre a eficiência é o fator mais importante. Se existir espaço suficiente para acomodar módulos com menor eficiência, mesmo em orientação e inclinação não tão favoráveis, os custos mais baixos poderão ser um forte aliado. Pode-se constatar que a tecnologia fotovoltaica integrada à casa-contêiner apresenta-se como uma opção interessante de geração de energia para promover o balanço energético zero, pois, além de gerar energia elétrica, colabora com o caráter sustentável e ecologicamente correto que o projeto visa. PALAVRAS-CHAVE: Casa-contêiner. Tecnologia fotovoltaica. Geração distribuída.

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ABSTRACT Recycled containers for residential use are getting force and personality in the world contemporary architecture. Advantages are notable: low cost, short construction time, besides the intrinsic values of recycle and sustainability. In this study, it was estimated that the house energetic consumption would be 149 kWh per month and four different systems were considered, one for each photovoltaic technology. The Systems 1 and 2, both with first generation modules, use just the roof area, while the Systems 3 and 4, with second and third generation modules, use the roof area and the façades. Installed potential may vary from 1,47 kWp up to 1,9 kWp. The results have showed that the Systems 1 and 2 would have a better performance during the summer. However, during the Winter, they will need more energy supply from the public grid. On the other hand, the Systems 3 and 4 presented a more uniform distribution throughout the year. Despite these differences, all the systems would have an annual balance of energy equal to zero. In relation of the systems costs, it was possible to evidence that although using an installed potential 29% bigger than the one in System 1, the System 4 presented a lower cost, 35% lower than the System 1. In relation of System 3, the System 4 cost was 44% lower. Therefore, it is important to know exactly what is needed when you have to choose between two or more photovoltaic technologies. The module efficiency is not always the most relevant factor. When you have enough space to accommodate less efficient modules, even though the orientation is not so good, the low costs could be a stronger reason. It was possible to evidence that the photovoltaic technology integrated to the Container House is an interesting option of energy generation that promotes the zero energy annual balance, not only for the electric generation but also to confirm the ecological and sustainable character that this project desires to be. KEYWORDS: Container house. Photovoltaic technology. Distributed generation.

1 INTRODUÇÃO Esses fatores nos fazem pensar em fontes renováveis de energia, aquelas que se reconstituem naturalmente, num curto período, como o Sol. A Terra recebe anualmente 1,5 x 1.018 kWh de energia solar, o que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia nesse período (Rüther, 2004). Esse fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma 136

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de energia. Nesse contexto, a energia solar fotovoltaica merece uma atenção especial, pois, além de gerar eletricidade de forma distribuída, diminuindo as perdas por transmissão e distribuição, diferenciando-se da forma como se constitui o setor elétrico brasileiro, é silenciosa, estática, extremamente simples de operar, possui característica modular (desde mW até MW) e pode integrar-se ao envelope da edificação, não ocupando área extra, ficando, portanto, próximo ao ponto de consumo (Rüther, 2004). Por meio do efeito fotovoltaico, a energia contida na luz do Sol pode ser convertida diretamente em energia elétrica. Tradicionalmente atrativa em áreas onde a rede elétrica convencional não está presente (sistemas isolados ou autônomos), essa tecnologia começa a ser interessante em aplicações conectadas à rede elétrica pública (Rüther, 2004). Nesse caso, os módulos fotovoltaicos injetam energia elétrica na rede, funcionando como miniusinas em paralelo com as centrais geradoras, além de dispensarem o uso de baterias. Atualmente, a geração solar fotovoltaica conectada à rede elétrica é uma fonte de geração normalmente utilizada em países desenvolvidos, enquanto nos países em desenvolvimento os geradores solares são mais utilizados nos sistemas isolados, sem acesso à rede de distribuição. A tecnologia fotovoltaica integrada à edificação apresenta-se como uma opção inteligente de geração energética próximo ao ponto de consumo, pois, além de não ocupar área extra, sob o ponto de vista ambiental, não interfere negativamente no entorno. Pelo contrário, a utilização dessa tecnologia, tanto sobreposta à estrutura existente como sendo o próprio material de vedação, acrescenta valor estético à edificação. Segundo Prasad e Snow (2002), um dos atributos mais positivos da tecnologia fotovoltaica é sua aparência; remete à frieza sofisticada do high-tech com a responsabilidade social de mitigar a depredação ambiental. Entre os setores econômicos, a construção civil é uma atividade que consome energia tanto na fase de construção quanto ao longo da vida útil das edificações. Os edifícios comerciais, residenciais e públicos são responsáveis por 45,2% de todo o consumo de energia elétrica do Brasil (MME, 2008). Portanto, utilizar o envelope construído para a geração de energia elétrica é uma maneira eficiente de contribuir para o desenvolvimento sustentável. A arquitetura sustentável busca reduzir e harmonizar os impactos prejudiciais ao ambiente. Procura também a economia dos meios e dos materiais no desenvolvimento de novas oportunidades industriais (Prasad e Snow, 2002). A proximidade com o Porto de Itajaí, a cidade dos contêineres que essa região portuária se tornou, e a paisagem urbana onde dominam extensos depósitos de contêineres sucateados representam o potencial adormecido que se tem ao lado e que não se pode ignorar. Caixas metálicas prontas. Essa ocupação se deve ao baixo valor do aluguel de terrenos nacionais em relação ao resto do mundo e à fácil acessibilidade das embarcações, facilitando a proliferação desses depósitos (Figura 1). 137

Figura 1 – Depósito de contêineres em Itajaí – SC. Fonte: Ferraro (2009)

Somando-se essas características à demanda de uma sociedade cada vez mais prática e sustentável, Santa Catarina hoje representa, em âmbito nacional, o foco inicial de uma nova forma de ver e trabalhar o conceito de moradia. É nesse contexto que surge a Ferraro Habitat, empresa idealizada pela arquiteta Lívia Ferraro, de Florianópolis, que propõe a reutilização de contêineres para uso residencial. Esta monografia apresenta um estudo do potencial fotovoltaico necessário em uma casa-contêiner da Ferraro Habitat para promover um balanço anual de energia zero, ou seja, fazendo com que a geração fotovoltaica seja igual à energia consumida no mesmo período.

2 O SURGIMENTO DA CASA-CONTÊINER Século XX. As políticas de conquista espacial, o crescimento das redes de telecomunicações via satélite, o surgimento da robótica e dos computadores, e a proliferação de todo tipo de eletrodomésticos indicavam um novo panorama de desenvolvimento. Entusiasmados com os efeitos dessa perspectiva de progresso, muitos arquitetos viam a arquitetura tradicional por sua obsolescência e acreditavam que era possível e necessário uma transformação total da disciplina arquitetônica. A arquitetura, entendida tradicionalmente como a arte/ciência de planejar e construir o habitat artificial do homem, sempre foi pensada a partir de princípios fundamentais, como a estaticidade, a estabilidade e a durabilidade. As vertiginosas mudanças econômicas, sociais e culturais da época solicitavam novas alternativas de planejamento espacial fundamentadas em princípios diretamente opostas àquelas anteriormente vigentes, como a mobilidade, a flexibilidade, a instabilidade, a mutabilidade, a instantaneidade, a efemeridade e a reciclagem (Ferraro, 2009). 138

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Durante as décadas de 50 e 60, os primeiros passos originados por esse movimento foram dados por arquitetos como os que compunham o Grupo Archigram, pelos situacionistas e pelos metabolistas japoneses. Surgiram personagens como Reiner Banham, Kisho Kurokawa e Yona Friedman e os projetos de casas-cápsula. Mais recentemente, outros grupos como a LOT-EK e Numen Development e arquitetos como Sean Godsell e Adam Kalkin não somente propõem como colocam em prática uma nova proposta de moradia, as casas-contêiner. A Figura 2 ilustra alguns exemplos.

Figura 2 – Exemplos de casas-contêiner pelo mundo. (1) LOT-EK, (2) Sean Godsell e (3) Adam Kalkim. Fontes: Designboom (2009); LOT-EK (2009); SGA (2009)

Atualmente, o potencial construtivo dessas grandes caixas de ferro está rapidamente se expandindo para a arquitetura residencial, onde está encontrando um espaço pouco explorado, em especial no Brasil, no que se refere à mecanização e pré-fabricação. As vantagens são notáveis: custos menores e tempo de obra bastante reduzidos, e como ponto de partida valores socialmente corretos como a reciclagem e a sustentabilidade.

3 CASA-CONTÊINER: O PROJETO DA FERRARO HABITAT A Ferraro Habitat é uma empresa dedicada a projetos versáteis baseados no reaproveitamento de contêineres e em soluções sustentáveis de obtenção de energia e reaproveitamento e tratamento de água, além da reciclagem de materiais. A empresa foi lançada com um protótipo exposto na Mostra Casa Nova 2009, em Florianópolis. Na mostra, o protótipo resumia-se a uma suíte com sistema fotovoltaico de 0,8 kWp integrado a sua cobertura, como mostra a Figura 3. Neste trabalho, avalia-se a opção da empresa para uma casa-contêiner completa. O projeto busca uma tipologia capaz de atender e dar suporte às necessidades básicas de uma habitação. Tem a característica de ser funcionalmente mutável, capaz de construir condições urbanas a partir de formas associativas do elementobase e com grande autonomia de infraestruturas (rede elétrica, água, saneamento). Essa unidade habitacional é produzida a partir de elementos reciclados que compreendem desde o piso (em base emborrachada de pneu reciclado) até o revestimen139

to interno com placas de tubos de pasta de dentes reciclados e mobiliário em MDF. De acordo com Ferraro (2009), para a excelência em sua produção, deve ser otimizada ao esquema de linha de montagem, com elementos pré-fabricados, em sua maioria disponíveis no mercado, para que as condições de conforto e rapidez sejam acrescidas de rigor, perfeição, baixo custo e minimização da geração de resíduos de obra. A Figura 4 apresenta uma vista interna da casa-contêiner.

Figura 3 – Protótipo de casa-contêiner da Ferraro Habitat, lançado na Mostra Casa Nova 2009, em Florianópolis

Figura 4 – Vista interna da casa-contêiner

A casa-contêiner tem como base as dimensões de 2,44 m largura por 6,06 m de comprimento e uma área de 14,8 m², quando fechado para transporte, podendo ser ampliado para 6,8 m de largura e 6,06 m de comprimento, com uma área de 41,2 m² e capacidade de 19,046 ton. Essa ampliação se dá através de um mecanismo de gaveta, no qual parte da estrutura desliza para fora (Figura 5). Considerando a instalação da casa-contêiner na cidade de Florianópolis, sugere-se que a casa seja orientada ao norte em sua fachada maior e aberta (Figura 6), a fim de proporcionar melhor conforto térmico. Assim, a fachada toda fechada ficará ao sul, protegendo a residência do vento menos desejável. 140

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Projetada para um casal, em seu leiaute constam ambientes como sala de estar, cozinha, um banheiro, dormitório, closet, lavanderia, varanda, jardim interno (que pode ser utilizado para produção hidropônica) e casa de máquinas. A unidade pode ser transportada por caminhão, trem, navio ou helicóptero, pois possui as dimensões padrão de transporte e capacidade de empilhamento (Figura 6).

Figura 5 - Planta baixa e abertura tipo gaveta da Casa Contêiner

Figura 6 – Casa-contêiner aberta

141

A casa-contêiner foi projetada para ser abastecida por geração fotovoltaica, com módulos integrados a sua cobertura e/ou fachadas. Esse sistema deve ficar conectado à rede elétrica convencional, para que, quando não haja geração, o contêiner utilize energia da rede. Por outro lado, sempre que a geração fotovoltaica for superior ao consumo, essa energia será injetada na rede, e a unidade acumulará créditos com a concessionária. Esse mecanismo, muito difundido na Alemanha e no Japão, ainda não está regulamentado no Brasil, porém sua regulamentação não deve tardar a acontecer.

4 OBJETIVO A presente monografia tem como objetivo estimar a potência fotovoltaica necessária em uma casa-contêiner para que dois habitantes possam ter seu balanço energético anual zero, ou seja, gerar a mesma quantidade de energia que eles irão consumir durante o ano. Além disso, pretende-se avaliar os custos de acordo com as tecnologias fotovoltaicas disponíveis no mercado.

5 CONSUMO ENERGÉTICO DA CASA-CONTÊINER A casa-contêiner possui os mesmos aparelhos elétricos necessários para o bem-estar do usuário presentes em uma casa convencional. A principal diferença é a geladeira, o chuveiro elétrico e as lâmpadas, sempre fluorescentes compactas, possuírem baixo consumo energético e maior eficiência, comprovados através da certificação do Procel (2007). A fim de se determinar o consumo de energia de uma casa-contêiner padrão, estimou-se o período de uso de cada equipamento, considerando o contêiner habitado por duas pessoas. O cálculo do consumo foi realizado através da equação (1). CD = Pot × Quant ×Uso 1000 (1) Onde: CD = consumo diário em kWh/dia; Pot = potência nominal do equipamento elétrico em Watt; Quant = número de equipamentos; e Uso = tempo de uso em horas de cada equipamento. Para se obter o consumo mensal, multiplicou-se o Consumo Diário (CD) pelo número de dias que o equipamento é utilizado no mês. As estimativas de consumo de iluminação, refrigeração e equipamentos elétricos estão apresentadas na Tabela 1.

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Tabela 1 – Estimativa de consumo de iluminação da casa-contêiner Estimativa de Consumo - Iluminação Ambiente

Aparelho

Tipo

Potência (W)

Quant.

Tempo de uso (h/dia)

Consumo diário (kWh)

Consumo mensal (kWh)

Cozinha

Lâmpada

0,23

6,9

Banho

Lâmpada

0,023

0,069

Vaso

Lâmpada

0,023

0,069

Área íntima

Lâmpada

0,069

2,07

Sala estar

Lâmpada

0,092

2,76

Dormitório

Lâmpada

0,092

2,76

Jardim interno

Lâmpada

0,092

2,76

Área externa

Lâmpada

0,46

13,8

Total iluminação

32,43 kWh/mês

Estimativa de Consumo - Refrigeração Ambiente

Aparelho

Tipo

Volume (L)

Selo rocel

Tempo de uso (h/dia)

Consumo mensal (kWh)

Cozinha

Geladeira

Cônsul CRD37A

331

Sim

39,8

Total refrigeração

39,8 kWh/mês

Estimativa de Consumo de Aparelhos Elétricos Ambiente

Aparelho

Potência nominal (W)

Tempo de uso (h/dia)

Consumo mensal (kWh)

Cozinha

Microondas

850

0,16 h

4,08

Exaustor

250

0,16 h

1,20

Chuveiro Thermossystem Selo Procel

6.800

0,26 h

40,80

Secador de cabelo

1.200

0,16 h

3,84

Ferro de passar roupa

1.000

0,5 h/ semana

2,00

Lavadora de roupa

1.200

2 ciclos/ semana

4,80

Tv LCD 32’’

150

Laptop

2,16

Banho

Área íntima

Sala de estar

Total equipamentos elétricos

76,88 kWh/mês

143

Diante dos consumos parciais, obteve-se o consumo total da casa-contêiner, totalizando 149,1 kWh por mês, como apresenta a Tabela 2. Tabela 2 – Estimativa de consumo energético da casa-contêiner ESTIMATIVA DE CONSUMO (kWh/mês) Iluminação

32,43

Refrigeração

39,8

Aparelhos

76,88

Consumo total estimado

149,11 kWh/mês

Esse valor é compatível com a média de consumo energético de uma residência brasileira, de acordo com a Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso baseada no ano de 2005. Nesse relatório, a maioria das residências brasileiras com dois moradores apresentou consumo mensal na faixa de 101 a 200 kWh. A média de consumo energético de residências com dois moradores da região Sul ficou em 146 kWh/mês para os meses de verão e em 149 kWh/mês para os meses de inverno (Procel, 2007). Portanto, considera-se a estimativa válida.

Que capacidade instalada um gerador fotovoltaico necessita ter para atender à demanda de uma casa-contêiner? De acordo com a energia consumida em um mês em uma casa-contêiner, foi possível quantificar a potência fotovoltaica necessária para gerar energia que possibilitasse um balanço energético anual igual a zero, ou seja, que a quantidade de energia consumida no ano fosse a mesma quantidade de energia gerada. A análise considerou os níveis de irradiação da cidade de Florianópolis, localizada a 27º S e 48º W, cuja média anual de irradiação global horizontal está entre 4.500 e 4.700 Wh/m², de acordo com o banco de dados do Projeto SWERA (Colle e Pereira, 1996). De acordo com o Software Radiasol (UFRGS, 2001), calibrado com os valores do SWERA, o nível de irradiação médio diário na horizontal é de 4.220 Wh/m². Já nas fachadas, os níveis de irradiação médios chegam a 2.850 Wh/m² na norte, 2.620 Wh/m² na leste e na oeste, e 2.080 Wh/ m² na fachada sul. Para o cálculo do potencial fotovoltaico instalado necessário, foi utilizada a equação (2). A análise considerou os níveis de irradiação da cidade de Florianópolis, localizada a 27º S e 48º W, cuja média anual de irradiação global horizontal está entre 4.500 e 4.700 Wh/m², de acordo com o banco de dados do Projeto SWERA (Colle e Pereira, 1996). De acordo com o Software Radiasol (UFRGS, 2001), calibrado com os valores do SWERA, o nível de irradiação médio diário na horizontal é de 4.220 144

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Wh/m². Já nas fachadas, os níveis de irradiação médios chegam a 2.850 Wh/m² na norte, 2.620 Wh/m² na leste e na oeste, e 2.080 Wh/m² na fachada sul. Para o cálculo do potencial fotovoltaico instalado necessário, foi utilizada a equação (2). Pcc = E G × r × 30 (2) onde Pcc = potência instalada em kWp; E = consumo energético no mês em kWh/mês (neste caso, 149 kWh/mês); G = irradiação solar horizontal diária em kWh/m²/dia; r = rendimento do sistema, tipicamente 80% (0,80); e 30 = número de dias do mês considerado nas faturas de contas de energia elétrica. De acordo com a orientação e o ângulo do painel fotovoltaico, o potencial instalado poderá variar de acordo com a Tabela 3. Tabela 3 – Potência fotovoltaica necessária de acordo com o nível médio de irradiação solar para Florianópolis para um consumo de 149 kWh/mês IRRADIAÇÃO SOLAR MÉDIA EM FLORIANÓPOLIS (kWh/m²/dia)

POTÊNCIA FOTOVOLTAICA INSTALADA (kWp) PARA 149 kWh/mês

Horizontal

4,22

1,47

Fachada norte

2,85

2,18

Fachada leste

2,62

2,37

Fachada oeste

2,62

2,37

Fachada sul

2,08

2,98

A geração fotovoltaica dessas potências instaladas seria de 149 kWh/mês na média, podendo variar de acordo com o mês do ano. Considerando que fossem instalados cinco sistemas, para cinco unidades de casa-contêiner diferentes, mas com um mesmo consumo mensal, a estimativa de suprimento energético mensal seria conforme a Figura 7.

Figura 7 – Geração fotovoltaica mensal de cinco sistemas com orientação e inclinação diferentes

145

Diante da Figura 7, pode-se perceber que haveria excedente de geração em grande parte dos meses. Como se trata de um sistema fotovoltaico conectado, nesses meses haveria energia sendo injetada na rede e, consequentemente, haveria acúmulo de créditos para utilizar em um período com menos sol, nos quais o consumo fosse superior à geração. Porém, há de se avaliar se uma unidade de casa-contêiner possui área suficiente para acomodar a potência instalada necessária para suprir seu consumo em apenas uma orientação ou se seria necessário criar combinações de diferentes fachadas e cobertura. Para tanto, analisou-se qual a área que precisaria ser utilizada por módulos fotovoltaicos e se uma unidade de casa-contêiner comportaria essa potência instalada. Além disso, diante das diversas tecnologias fotovoltaicas existentes, procurou-se comparar os resultados para três gerações de módulos fotovoltaicos.

6 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA: AS TRÊS GERAÇÕES Existem diversas tecnologias fotovoltaicas no mercado e, no presente estudo, avaliam-se três gerações de módulos solares: a primeira geração, com os módulos de fatias de silício; a segunda geração, composta dos filmes finos; e a terceira geração, mais recente, de células solares sensibilizadas por corante. Os módulos de primeira geração utilizam como base o silício cristalino, sendo esta a maior barreira para a difusão dessa tecnologia. Isso porque o custo final é bastante elevado, visto que 40% do custo são provenientes da fatia de silício utilizada na fabricação da célula (Green, 2004). A principal vantagem dessa tecnologia é a alta eficiência alcançada, cerca de 10% a 16%, em média. Dentro da tecnologia fotovoltaica de primeira geração, encontra-se uma introduzida mais recentemente no mercado, conhecida como tecnologia HIT (heterojunction with intrinsic thin-layer). Os módulos dessa tecnologia são compostos de duas camadas de silício amorfo e de uma camada central de silício monocristalino e possuem eficiência ainda mais elevada, em torno de 17%. Já nos módulos da segunda geração, apenas uma fina camada do material fotovoltaico é depositada sobre um substrato. Isso significa uma redução de até 100 vezes de material ativo. Além disso, a unidade comercial deixa de ser uma célula e passa a ser um módulo, unidade cerca de 100 vezes maior (Green, 2004). Como a camada do material semicondutor é muito fina, da ordem de 1 μm, praticamente todos os semicondutores não parecem caros em relação à quantidade empregada e, entre eles, tem-se destacado o silício. Sendo o silício barato o suficiente para ser usado em fatias, em filmes finos sua aplicação torna-se ainda mais vantajosa.

146

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Porém, recentemente, uma nova tecnologia de célula fotovoltaica tem chamado a atenção de pesquisadores. Trata-se de uma célula composta de dióxido de titânio nanocristalino combinado com um corante orgânico, inicialmente desenvolvido na Suíça por Michael Graetzel. São as células solares sensibilizadas por corante (CSSC). A principal característica é seu baixo custo, além da facilidade de fabricação, podendo, inclusive, ser desenvolvida em laboratórios escolares (Green, 2004). A eficiência obtida nesses experimentos é baixa, mas, às vezes, o custo é tão importante quanto a eficiência (Agnaldo et al., 2006). Em grande escala, isso pode significar uma grande economia quando comparada às células de filmes finos. Essas células já são consideradas a terceira geração da tecnologia fotovoltaica. A eficiência dos módulos analisados no presente estudo e suas demais características estão apresentadas na Tabela 4. Tabela 4 – Características dos módulos solares fotovoltaicos utilizados TECNOLOGIA

MATERIAL

EFICIÊNCIA

CUSTO/Wp

HIT

m-Si e a-Si

17,40%

$2,80/Wp1

Silício policristalino

p-Si

14%

$2,48/Wp2

2ª Geração

Silício amorfo

a-Si

6,30%

$1,76/Wp3

3ª Geração

CSSC

TiO2

$0,75/Wp4

1ª Geração

Menor preço entre os módulos de silício monocristalino (Solarbuzz, 2009). 2 Menor preço entre os módulos de silício policristalino (Solarbuzz, 2009). 3 Menor preço entre os módulos de filmes finos de silício amorfo (Solarbuzz, 2009). 4 Menor valor estimado por Smetad (1994 apud Kalowekamo e Baker, 2009).

7 ÁREA DISPONÍVEL NA CASA-CONTÊINER Através do projeto arquitetônico da casa-contêiner, pode-se quantificar as regiões que poderiam receber módulos fotovoltaicos. Consideraram-se como possíveis áreas a cobertura e as fachadas. Utilizou-se como área útil 85% da cobertura total, pois, geralmente, perdemse espaços na diagramação dos módulos fotovoltaicos. Essas perdas variam de acordo com as dimensões dos módulos utilizados e da superfície em que serão instalados e, segundo estudos anteriores, essa porcentagem mostrou-se bastante próxima da realidade. A Tabela 5 apresenta os resultados.

147

Tabela 5 – Área disponível na casa-contêiner para a integração de módulos solares fotovoltaicos ÁREA

DISPONÍVEL NA CONTA

INER

DIMENSÕES (m)

ÁREA TOTAL (m²)

ÁREA ÚTIL (85%)

Cobertura

2,44 x 6,06

14,78

12,56

Frente (norte)

6,06 x 1,30

7,88

6,70

Lateral 1 (leste)

2,59 x 2,44

6,3

5,36

Lateral 2 (oeste)

2,59 x 2,44

6,3

5,36

Trás (sul)

6,06 x 2,59

15,69

13,34

73,54

62,51

Total

8 ÁREA NECESSÁRIA PARA INSTALAÇÃO DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS A análise de área necessária para a instalação de determinada potência instalada está diretamente ligada à eficiência do módulo fotovoltaico. Esta, por sua vez, está relacionada à tecnologia com que ele é feito. Para se determinar a área necessária para a obtenção de determinada potência instalada, pode-se utilizar a equação (3).

Pcc Ef ÷100

(3)

onde: A= área ocupada por células fotovoltaicas, em m²; Pcc = potência fotovoltaica instalada, em kWp; e Ef = eficiência do módulo fotovoltaico, em porcentagem. As áreas necessárias foram calculadas, e os resultados estão apresentados na Tabela 6. Tabela 6 – Área necessária para instalação de módulos solares fotovoltaicos ÁREA NECESSÁRIA (m²) TECNOLOGIA HIT

8,45

FACHADA NORTE 12,53

p-Si

10,50

15,57

16,93

21,29

16,93

2ª Geração

a-Si

23,33

34,60

37,62

47,30

37,62

3ª Geração

CSSC

24,50

36,33

39,50

49,67

39,50

1ª Geração

148

HORIZONTAL

FACHADA LESTE 13,62

FACHADA SUL 17,13

FACHADA OESTE 13,62

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A partir da Tabela 5 e dos resultados apresentados na Tabela 6, pode-se avaliar quais regiões do contêiner seriam necessárias para se atingir a potência necessária. Pode-se perceber que, com os módulos fotovoltaicos de primeira geração, seria necessário recobrir apenas parte da cobertura. Já com os módulos de segunda e terceira geração seria necessário utilizar parte das fachadas também. A fórmula utilizada para se obter a geração de energia foi a mesma dada pela equação (2), porém utilizando como incógnita o valor de E. A equação (4) apresenta a nova fórmula. E = Pcc×G× r × nº _ dias _ mês Onde: E = Geração de energia mensal (kWh/mês) Pcc = Potência instalada (kWp) r = rendimento do sistema, tipicamente 80% (0,8)

(4)

A Tabela 7 apresenta possíveis combinações que atinjam potências que gerem a energia necessária. Tabela 7 – Combinações de áreas necessárias para que o sistema fotovoltaico da casa-contêiner gere, em média, 149 kWh/mês COBERTURA NORTE

Sistema HIT 1

Sistema p-Si 2

Sistema a-Si 3

Sistema CSSC 4

Potência instalada Geração FV Potência instalada Geração FV Potência instalada Geração FV Potência instalada Geração FV

LESTE

OESTE

SUL

TOTAL

1,47

1,47 kWp

149,19

149,19 kWh/mês

1,47

1,47 kWp

149,19

149,19 kWh/mês

0,79

0,42

0,34

0,31

1,86 kWp

80,01

28,73

21,38

19,49

149,61 kWh/mês

0,75

0,40

0,32

0,11

1,90 kWp

75,96

27,4968 20,203344 20,203344 5,4912

149,35 kWh/mês

Diante da Figura 8 pode-se constatar que os sistemas 1 e 2 teriam melhor desempenho nos meses de verão, com excedente de geração em relação ao consumo médio, mas precisariam de mais energia proveniente da rede pública no período de inverno. Já com os sistemas 3 e 4, a distribuição permaneceria um pouco mais 149

uniforme. Esse fato ocorre devido à variedade de orientações que eles possuem, abrangendo níveis de irradiação que os dois primeiros não captariam, demonstrando um fator positivo para se utilizarem fachadas. O balanço energético anual dos quatro sistemas está apresentado na Tabela 8. Através da Tabela 8, observa-se que o balanço energético ao fim de um ano foi zero, pois a geração fotovoltaica supriu 100% do consumo energético no mesmo período. A fim de se avaliar qual dos sistemas seria a melhor opção a ser utilizada, poder-se-ia comparar os custos que a escolha de cada tecnologia acarretaria. É sobre isso que o tópico a seguir se destina.

Figura 8 – Geração fotovoltaica mensal dos quatro sistemas propostos

Tabela 8 – Balanço energético anual dos quatro sistemas propostos

150

MÊS

SISTEMA 1 HIT – 1,47 kWp

SISTEMA 2 p-Si – 1,47 kWp

SISTEMA3a-Si – 1,86 kWp

SISTEMA4CSSC– 1,90 kWp

JAN

133,83

127,79

127,84

FEV

118,14

113,42

112,99

MAR

117,40

116,69

115,98

ABR

94,07

98,44

97,62

MAI

82,93

91,03

89,92

JUN

59,39

65,86

65,48

JUL

62,30

68,25

67,96

AGO

82,83

87,84

87,22

SET

85,84

88,20

88,11

OUT

104,59

104,13

104,16

NOV

129,99

123,95

123,77

DEZ

141,17

133,12

133,13

ANO

101,04

101,56

101,18

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9 ESTIMATIVA DE CUSTOS O custo de um sistema fotovoltaico é comumente determinado em razão do preço do Watt-pico (Wp) instalado. Esse valor dá uma ideia inicial, que poderá ser maior ou menor, de acordo com a tecnologia fotovoltaica empregada. Em agosto de 2009, o custo do Wp nos Estados Unidos estava em US$ 4,45 e na Europa em US$ 4,34. No entanto, 475 módulos fotovoltaicos, 34% do total pesquisado, apresentaram valores inferiores a US$ 4,75/Wp (Solarbuzz, 2009). Entre os módulos de silício policristalino, o mais barato custou de US$ 2,48/ Wp; entre os de silício monocristalino, encontrou-se um por US$ 2,80/Wp; e, entre os de silício amorfo, o mais barato custou US$ 1,76/Wp. Vale lembrar que a diferença de preço está relacionada a diversos fatores, como o fabricante, seus atributos técnicos e suas certificações. Diante desses fatores e de acordo com os valores por Watt-pico apresentados na Tabela 4, realizou-se uma estimativa de custo para as tecnologias estudadas. O resultado está apresentado na Tabela 9. Tabela 9 – Custo do sistema fotovoltaico estimado de acordo com a tecnologia empregada TECNOLOGIA

CUSTO ($/WP)

POTÊNCIA INSTALADA (KWP)

CUSTO DO SISTEMA

Sistema 1

HIT

2,80

1,47

$4.116,00

Sistema 2

p-Si

2,48

1,47

$3.645,60

Sistema 3

a-Si

1,76

1,86

$3.273,60

Sistema 4

CSSC

0,75

1,90

$1.425,00

Houve uma grande variação de valores finais de acordo com a tecnologia fotovoltaica empregada. Pode-se perceber que, mesmo se utilizando uma potência instalada 29% maior que o sistema 1, o sistema 4 apresentou um custo de apenas 35% do valor do primeiro. Em relação ao sistema 3, o custo do sistema 4 foi 44% menor. Através desta análise, pode-se perceber que diversos fatores são relevantes na hora de se escolher uma tecnologia fotovoltaica. Com o avanço dos estudos científicos, surgem tecnologias cada vez mais baratas e, diante do custo das células de primeira geração, as células solares sensibilizadas por corante apresentam-se como uma possível opção para uma maior disseminação do uso da energia solar. Embora sua eficiência de conversão seja inferior às melhores células de filmes finos, seu custo por kWh/m²/ano é suficientemente menor, a ponto de essa tecnologia ser competitiva quando comparada à geração elétrica por combustíveis fósseis (paridade de rede). 151

10 CONCLUSÃO A reutilização de contêineres para o uso residencial se apresenta com força e personalidade no cenário da arquitetura contemporânea mundial. As vantagens são notáveis: menores custos e tempo de obra bastante reduzido, tendo como ponto de partida valores socialmente corretos como a reciclagem e a sustentabilidade. Este trabalho demonstrou qual a potência fotovoltaica necessária em uma Casa-contêiner para que dois habitantes possam ter seu balanço energético anual igual a zero, ou seja, gerar a mesma quantidade de energia que eles irão consumir durante o ano. Além disso, avaliou os custos de acordo com as tecnologias fotovoltaicas disponíveis no mercado. O consumo energético mensal foi estimado em 149 kWh/mês, e, para suprir esse consumo, seria necessário instalar potências de 1,47 kWp caso todos os módulos fossem instalados na horizontal, e de até 2,98 kWp caso todos os módulos estivessem dispostos na fachada sul, a 90º. Porém, ao se analisar o projeto arquitetônico, percebeu-se que, dependendo da tecnologia empregada, as áreas necessárias seriam diferentes (cobertura e fachadas). Isso ocorre porque cada tecnologia possui uma eficiência de conversão fotovoltaica e, quanto menor a eficiência, maior a área necessária para a integração de módulos. Na obtenção dos resultados, avaliou-se o desempenho de três gerações de módulos fotovoltaicos: a primeira geração, com os módulos de fatias de silício; a segunda geração, composta dos filmes finos; e a terceira geração, mais recente, de células solares sensibilizadas por corante. Pode-se perceber que, com os módulos fotovoltaicos de primeira geração, seria necessário recobrir apenas parte da cobertura. Já com os módulos de segunda e terceira geração, seria necessário utilizar parte das fachadas também. A partir desses resultados, foram criados quatro sistemas, cada um com uma tecnologia fotovoltaica: o sistema 1 somente com módulos da tecnologia HIT; o sistema 2 somente com módulos de silício policristalino (p-Si); o sistema 3, composto de módulos de silício amorfo (a-Si); e o sistema 4, composto de células solares sensibilizadas por corante (CSSC). Nos quatro sistemas, observou-se que o balanço energético ao fim de um ano foi zero, pois a geração fotovoltaica supriu 100% do consumo energético do mesmo período. Em relação à geração fotovoltaica e respectiva contribuição mensal, pode-se constatar que os sistemas 1 e 2 teriam um melhor desempenho nos meses de verão, com excedente de geração em relação ao consumo médio, mas precisariam de mais energia proveniente da rede pública no período de inverno. Já com os sistemas 3 e 4, a distribuição permaneceria um pouco mais uniforme. 152

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A fim de se avaliar qual dos sistemas seria a melhor opção a ser utilizada, procurou-se comparar os custos que a escolha de cada tecnologia acarretaria. Através dos resultados, houve uma grande variação de valores finais, de acordo com a tecnologia fotovoltaica empregada. Portanto, convém avaliar exatamente o que se deseja ao optar por uma tecnologia fotovoltaica. Se a área é o fator determinante de um sistema, convém optar por uma tecnologia de alta eficiência e arcar com os altos custos. Em contrapartida, se existir espaço suficiente para acomodar módulos com menor eficiência, mesmo em orientação e inclinação não tão favoráveis, os custos mais baixos serão um forte aliado. Através do presente estudo, pode-se constatar que a tecnologia fotovoltaica integrada à casa-contêiner apresenta-se como uma opção interessante de geração de energia para promover o balanço energético zero, pois, além de gerar energia elétrica, colabora com o caráter sustentável e ecologicamente correto que o projeto visa.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGNALDO, J. S.; BASTOS, J. B. V.; CRESSONI, J. C.; VISWANATHAN, G. M. Células solares de TiO2 sensibilizado por corante. Revista Brasileira de Ensino de Física. v.28, 2006. BUREAU, U. S. C. Population Division. Disponível em: <http://www.census. gov> U.S. Census Bureau. Acesso em: 22/01/2008. COLLE, S.; PEREIRA, E. B. Atlas de Irradiação Solar do Brasil: Florianópolis, 1996. CONCEIÇÃO, M. M.; CANDEIA, R. A.; DANTAS, H. J.; SOLEDADE, L. E. B.; FERNADES JR., V. J.; SOUZA, A. G. Rheological Behavior of Castor Oil Biodisel. Energy & Fuels. v.19, p.2185-2188, 2005. DESIGNBOOM. Adam Kalkim: illy café. Disponível em <http://www.designboom. com/weblog/cat/9/view/6463/adam-kalkin-illy-cafe.html> Acessado em 09/09/2009 FERRARO. Ferraro Habitat. Disponível em <http://ferrarohabitat.blogspot. com/> Acessado em 08/09/2009 FERRARO, L. Casa Container - CASA COR 2009. Disponível em <http:// www.arqbrasil.com.br/_arq/livia_ferraro/livia_ferraro.html> Acessado em 10/09/2009 153

GREEN, M. A. Recent developments in photovoltaics. Solar Energy. Issue 1-3, v.76, p.3-8, 2004. KALOWEKAMO, J.; BAKER, E. Estimating the manufacturing cost of purely organic solar cells. Solar Energy. Issue 8, v.83, p.1224-1231, 2009. LOT-EK. Container Home Kit. Disponível em <www.lot-ek.com> Acessado em 08/09/2009 MME. Balanço Energético Nacional 2008: Ano base 2007. MME. Rio de Janeiro, 2008. PRASAD, D.; SNOW, M. Designing with solar power - A source book for building integration photovoltaics (BiPV): Images Publishing. Australia, 2002. PROCEL. Avaliação do Mercado de Eficiência Energética no Brasil: Pesquisa na Classe Residencial. PROCEL - Eletrobrás, 2007. RÜTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos: o potencial da geração solar fotovoltaica integrada a edificações urbanas e interligada à rede elétrica pública no Brasil: Editora UFSC/LABSOLAR. Florianópolis, 2004. SGA, S. G. A. Future Shack. Disponível em <www.seangodsell.com> Acessado em 05/09/2009 SOLARBUZZ. Solar Module Price Highlights: August 2009. Disponível em <http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm> Acessado em 02/09/2009 UFRGS.Radiasol Versão 2.1 Laboratório de Energia Solar do GESTE. Porto Alegre,2001

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>>> GERAÇÃO DE BIOGÁS E ENERGIA EM ATERRO EXPERIMENTAL DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS Felipe Jucá Maciel

RESUMO As emissões fugitivas de biogás em áreas de disposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) são um grave problema de poluição atmosférica nos âmbitos local e global que precisa ser mitigado. Essa situação é relevante, uma vez que ainda existem cerca de 4 mil lixões em operação no Brasil (IBGE, 2000), os quais contribuem para a contaminação do meio ambiente e para a má qualidade de vida da população. Uma das formas de se evitar a passagem aleatória do biogás para a atmosfera é constituir um adequado sistema de coleta e aproveitamento energético do biogás e de cobertura dos resíduos. O objetivo principal desta pesquisa é avaliar o potencial de geração de biogás e a viabilidade da produção de energia a partir do desenvolvimento e da implantação de uma célula experimental com 36.659 t e uma usina piloto de energia com 20 kVA. O plano de monitoramento deste estudo permitiu: a) caracterizar físico-quimicamente os resíduos; b) avaliar experimental e numericamente a produção de biogás; c) estimar as emissões fugitivas pela cobertura; d) determinar a eficiência elétrica do gerador; e e) obter parâmetros para a viabilidade financeira do projeto. Os resultados encontrados nesta pesquisa permitiram concluir que, em função das características dos resíduos e do clima local, a produção de biogás ocorreu de forma mais intensa e acelerada que o previsto na literatura internacional. No que se refere aos parâmetros energéticos, a eficiência elétrica do gerador está situada dentro da faixa de valores reportados na literatura técnica. A análise de viabilidade financeira do empreendimento mostrou que o projeto com venda de energia elétrica é viável com restrições da tarifação, entretanto, quando os CERs são considerados, a viabilidade se torna altamente positiva. PALAVRAS-CHAVE: Aterro experimental. Biogás. Energia elétrica.

155

ABSTRACT Fugitive gas emissions from municipal solid waste (MSW) landfills are a serious problem related to local and global atmospheric pollution that must be mitigated. This situation is relevant as still exists approximately 4.000 open dumps in operation in Brazil (IBGE, 2000), which contributes to the environment contamination and poor quality of life. One of the forms to prevent gas escape to the atmosphere is to constitute an adequate landfill gas collection and utilization system, and waste covering. The main objective of this research is to evaluate landfill gas potential, and the energy production viability through the development and implementation of an Experimental Cell with 36,659 t, and an energy pilot plant with 20 kVA. The geoenvironmental and energetic plan allowed to: (I) characterize physical-chemically the waste, (II) evaluate experimentally and numerically landfill gas production, (III) estimate fugitive emissions through the cover layer, (IV) determine the generator electric efficiency, and (V) obtain parameters of the project financial viability. The results obtained in this research allowed to conclude that, due to the waste characteristics and local climate, the landfill gas production occurred in a more intensive and accelerated form than predicted in the international literature. Relating to the energetic parameters, the electric efficiency obtained in the gas generator was situated in the range of values reported in the technical literature. The project financial analysis showed that the project conception with only electric energy was viable with restrictions; however when the Certified Emissions Reductions (CERs) are considered by means of the Clean Development Mechanism (MDL), the viability become highly positive. KEYWORDS: Experimental cell. Landfill gas. Electric energy.

1 INTRODUÇÃO A situação dos resíduos sólidos urbanos (RSU) no Brasil ainda é precária, uma vez que existem cerca de 4 mil lixões em operação, os quais contribuem para a contaminação do meio ambiente e para a má qualidade de vida da população. De acordo com o IBGE (2000), apenas 36% do lixo gerado em todo o país é destinado aos aterros sanitários, enquanto o restante é disposto indevidamente em lixões ou aterros controlados. As emissões fugitivas de biogás são um grave problema de poluição atmosférica nos âmbitos local e global que precisa ser mitigado. O gás metano (CH4) é o segundo maior contribuinte para o aquecimento global, atrás apenas do dióxido de carbono (CO2), entre as emissões antrópicas de gases 156

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do efeito estufa. Vale lembrar que o CH4 é cerca de 21 vezes mais eficiente que o CO2 no aprisionamento de calor na atmosfera (IPCC, 2001). A alternativa do aproveitamento energético do biogás e a redução de emissões de gases nos aterros de RSU, associadas à comercialização dos créditos de carbono e à inserção social, contribuem para a solução sustentada da gestão dos RSU. É importante lembrar que as novas fontes de energias renováveis devem apresentar crescimento nos próximos anos, devido aos novos mecanismos de incentivo que vêm sendo oferecidos por entidades governamentais no Brasil e no mundo. O Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), previsto no Protocolo de Kyoto, é um dos instrumentos existentes em escala global. O estudo do potencial de biogás e energia em aterros de RSU no Brasil ainda é um desafio para a engenharia nacional, uma vez que as atuais estimativas são realizadas com base em critérios e experiências internacionais que não vêm apresentando resultados satisfatórios para as condições locais. Os poucos projetos de aproveitamento energético de biogás no Brasil estão localizados no eixo SulSudeste e alguns estão apresentando dificuldades de ordem técnica em função de falhas na previsão de produção de biogás. Os parâmetros técnicos utilizados foram desenvolvidos para aterros de países desenvolvidos, onde as características de projeto, operacionais, dos resíduos, e as condições climáticas são bem distintas das dos aterros existentes no país. Nos últimos anos, o desenvolvimento de novos ensaios laboratoriais e de campo para a avaliação do potencial de gás, associado ao estudo da decomposição dos resíduos em diferentes escalas e de novas tecnologias para aproveitamento energético do biogás, tem contribuído para minimizar esse problema. O objetivo geral desta pesquisa é avaliar o potencial de geração de biogás e a viabilidade da produção de energia, a partir do desenvolvimento e do monitoramento de uma célula experimental de RSU com 36.659 toneladas de capacidade e da Usina Piloto da Muribeca, com 20 kW, as quais foram implantadas no Aterro da Muribeca, PE, com suporte financeiro da Companhia Hidroelétrica do São Francisco (CHESF) e operacional da Empresa de Limpeza Urbana do Recife (EMLURB). Este trabalho pode ser de grande valia para o desenvolvimento do tema no Brasil e poderá ser aplicado em diversos aterros de resíduos urbanos, principalmente ao se considerarem o porte e a taxa de disposição de resíduos dessa célula, que são semelhantes aos de pequenos e médios municípios do Brasil. Entre os objetivos específicos que fazem parte deste estudo, pode-se destacar: a) caracterização física e química dos resíduos; b) avaliação do potencial de geração de biogás por meio de reatores laboratoriais e de monitoramento qualitativo e quantitativo do gás na célula experimental; c) estudo das emissões fugitivas de CH4 para a atmosfera; d) avaliação técnica do aproveitamento do biogás na Usina Piloto da Muribeca, incluindo parâmetros de eficiência elétrica; e e) avaliação da viabilidade financeira do projeto. 157

2 METODOLOGIA 2.1 Características das instalações do projeto A célula experimental possui uma área de base de 5.993 m2 e altura máxima de 9 m de resíduos, distribuída em dois patamares, com 3,0 m e 6,0 m de altura. A capacidade de RSU da célula é de 36.659 toneladas. Existem cinco drenos verticais para escoamento dos gases produzidos no interior da massa de lixo, os quais possuem diâmetro (φ) externo de 700 mm (camada de pedra britada) e uma tubulação interna de PVC rígido com φ igual a 110 mm. Toda a rede de coleta de biogás é composta de dutos flexíveis de polietileno de alta densidade (PEAD), com φ igual a 110 mm (coletor-tronco) e φ de 75 mm (ramais e sub-ramais). O comprimento linear da rede é de cerca de 300 m. O biogás coletado na célula é direcionado para a Usina Piloto da Muribeca, cujos principais componentes são: a) gerador de 20 kVA; b) compressor radial (extrator); c) filtro de biogás; d) sistema trocador de calor; e) queimador (flare) aberto; f) medidor volumétrico de biogás; e g) dispositivos de segurança para tubulações/equipamentos. O sistema de geração de energia utilizado neste estudo é baseado no princípio de indução eletromagnética (geração assíncrona), em que um motor elétrico funciona como um rotor acoplado ao motor alimentado pelo biogás. O gerador ou “economizador de energia” possui potência instalada de 20 kVA. O motor a biogás é do fabricante GM, modelo Corsa, 1.8, 40 cv a 1.800 rpm, 4 cilindros, trifásico, 380 V. O compressor radial é responsável pela aplicação de vácuo na rede de coleta de gás de forma que seja possível extrair o biogás com melhor eficiência do interior da massa de lixo.

2.2 Localização e condições climáticas A célula experimental está localizada no Aterro da Muribeca, PE, o qual está situado na Região Metropolitana do Recife (RMR), no município de Jaboatão dos Guararapes, PE, a cerca de 15 km do Centro do Recife. As coordenadas geográficas do aterro são: 8º 9’ 50” S (latitude) e 34º 59’ 00” W (longitude). Essa região possui clima tropical litorâneo, quente e úmido, tipo Ams’, comandado por ventos de sudeste com velocidades médias entre 3,1 a 4,2 m/s. A precipitação pluviométrica da região é abundante, com média anual de 2.458 mm e evaporação de 1.390 mm. A temperatura média anual é de 25,5 ºC, e a umidade relativa média do ar é de 79,8%.

158

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2.3 Implantação do projeto Os detalhes de projeto e de implantação da célula foram apresentados por Maciel e Jucá (2007) e Maciel (2009). As atividades preliminares foram realizadas entre agosto de 2006 e janeiro de 2007, as quais contemplaram limpeza do terreno e escavação e regularização da área. O início da execução da célula experimental ocorreu em março de 2007, com a compactação da camada de base, e estendeu-se até março de 2009, quando foram finalizados o enchimento da célula e a cobertura dos resíduos com solo compactado. A Figura 1 ilustra as diversas fases de desenvolvimento da célula experimental, desde a locação da área (A), o enchimento com resíduos (B), a implantação da cobertura e drenagem pluvial (C) e, posteriormente, a implantação da Usina Piloto da Muribeca (D). Atualmente, as atividades do projeto contemplam o monitoramento geoambiental da célula e a avaliação da produção de energia elétrica.

159

d) Figura 1 – Ilustração da implantação da célula experimental e Usina Piloto da Muribeca

2.4 Instrumentação e monitoramento A Tabela 1 apresenta o plano de monitoramento da célula experimental, o qual foi concebido para avaliar o processo de degradação dos resíduos em associação com a produção de biogás e geração de energia elétrica. Tabela 1 – Resumo do plano de monitoramento da célula experimental Monitoramento da célula experimental

160

Meio

Parâmetros

Frequência

Biogás

Vazão, pressão, concentração (CH4, CO2, O2 e H2S) e poder calorífico - drenos verticais e rede de coleta

Semanal

Tipo de Ptos mín. investigação amostragem Campo

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Energia

Produção de energia (kWh)

Contínua

Campo

Eficiência do rendimento do gerador

Mensal

Campo

Manutenção básica do gerador

Mensal

Campo

Emissão superficial (placa de fluxo) em três tipos de cobertura Quinzenal experimentais Amostragem do solo e gases na cobertura (parâmetros indicativos da oxidação do CH4 = pH, temperatura, SV, umidade, fração fina do solo, composição do gás)

Quinzenal

Campo

Placas de recalques superficiais

Semanal

Campo

Temperatura (vertical termopar)

Semanal

Campo

Nível de líquidos/pressão do gás (piezômetro)

Semanal

Campo

Amostragem de resíduos em ensaios SPT (análises físicoquímicas, celulose, lignina, proteína, lipídeos, BMP, etc.)

Semestral

Campo/Lab

Vazão

Semanal

Campo

Análise físico-química

Mensal

Campo/Lab

Metais pesados

Bimestral

Campo/Lab

Sub-superficial

Concentração (CH4, CO2, O2 e H2S)

Mensal

Campo

Condições Climáticas

Pluviometria, Evaporação, Temp. amb., Vento (intensidade/ direção), Umidade relativa e Patm.

Contínua

Campo

Cobertura final

Resíduos sólidos

Chorume

É importante ressaltar que outros parâmetros de controle foram analisados previamente e durante o enchimento da célula, entre os quais caracterização dos resíduos por rota de coleta, controle de compactação da base, caracterização físico-química, composição e compressibilidade dos resíduos, além do controle de pesagem de resíduos depositados e avaliação da densidade da massa de lixo. Posteriormente, quando da conclusão da célula, foi instalada a instrumentação para controle da produção de gás e de geração de energia, além de toda instrumentação geotécnica, que tiveram por objetivo avaliar o comportamento geomecânico da célula. A Figura 2 apresenta o leiaute da instrumentação geoambiental da célula experimental. Os detalhes da metodologia dos ensaios de campo e laboratório estão descritos em Maciel (2009). 161

Figura 2 – Distribuição dos pontos de instrumentação na célula experimental

3 DESENVOLVIMETO DA PESQUISA 3.1 Controle de enchimento da célula experimental O controle de enchimento da célula experimental foi realizado com base nas seguintes atividades: registro da quantidade de resíduos depositada na área (por rota de coleta); ordenamento e geometrização da célula por zonas; avaliação periódica da compactação dos resíduos por nivelamento topográfico; e estudo de caracterização dos resíduos. A Figura 3 apresenta a evolução da quantidade de resíduos depositados na célula ao longo dos 10 meses necessários para a conclusão do aterro. Observa-se que houve variação mensal na disposição de resíduos, fato influenciado por questões de ordem operacional (disponibilização de tratores/máquinas) e social, e por fatores climáticos. A quantidade de resíduos depositada na célula foi de 36.659 t, e a taxa média de disposição, de 122 t/dia, a qual é semelhante à de municípios com população de 100 a 200 mil habitantes, a depender da geração per capita de lixo. A densidade média dos resíduos na célula experimental ficou em torno de 10,0 KN/m3. 162

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Figura 3 – Evolução da disposição de RSU na célula experimental

3.2 Caracterização físico-química dos resíduos Os resíduos foram caracterizados física e quimicamente durante o enchimento da célula experimental para fins de avaliação dos parâmetros de biodegradabilidade do lixo e de como eles influenciariam a geração de biogás. Vale destacar que os modelos teóricos de previsão da geração de biogás utilizam esses dados como parâmetro de entrada da simulação. Uma nova metodologia de caracterização gravimétrica e volumétrica dos resíduos foi desenvolvida com utilização de um compactador com quatro estágios de compressão e de determinação de umidade por cada tipo de fração de lixo. A Tabela 2 apresenta o resultado típico da caracterização física e poder calorífico dos resíduos coletados durante o enchimento da célula experimental. Observa-se que o percentual de matéria orgânica representa aproximadamente 48,1% do total em peso (base seca e limpa) e 30,4% em volume. Os resultados obtidos nessa pesquisa indicaram que as frações facilmente degradáveis (matéria orgânica e papel/ papelão) representam mais que 56,0% do total em peso. O teor de umidade médio dos resíduos foi de 55,8%. Essas características foram extremamente favoráveis para potencializar e acelerar a geração de biogás na célula experimental. A análise do poder calorífico dos resíduos é importante para definir o fluxo energético dos resíduos em relação às tecnologias de tratamento disponíveis. Observa-se que, entre as frações mais representativas dos RSU, a de maior poder calorífico é a de “plástico rígido”, com média de 37.620 kJ/kg, sendo, portanto, o principal combustível almejado pelas usinas térmicas de lixo e o principal constituinte a ser evitado nos aterros sanitários pela difícil biodegradabilidade e pelo elevado volume ocupado na massa de resíduos. Essa fração também é a principal matéria-prima de interesse para a reciclagem. Por outro lado, observa-se que a 163

Tabela 2 – Caracterização física e poder calorífico dos resíduos da célula experimental Fração dos RSU

Composição gravimétrica dos RSU Composição (%) volumétrica (%) base úmida base seca base seca/ limpa

Teor de umidade (%)

Poder calorífico (kJ/kg)

Mat. org. putrescível

44,4

42,6

48,1

30,4

46,2

10.104

Papel/papelão

14,2

12,4

13,7

15,1

52,3

12.309

Plástico mole

16,9

18,9

11,4

19,3

36,9

11.708

Plástico duro

3,2

4,8

4,9

10,6

17,4

37.620

Isopor

0,4

0,6

2,0

30,4

38.022

Madeira

1,8

2,1

2,6

37,4

16.128

Tecido

4,4

4,1

4,6

46,2

18.941

Borracha/ couro

1,6

2,5

2,7

2,3

8,7

29.060

Metais

1,7

2,5

2,3

3,3

N.A.

Vidro

0,6

1,0

1,1

0,5

N.A.

Fraldas descartáveis

3,4

N.A.

3,1

N.A.

Coco

2,7

1,5

1,4

3,8

64,1

12.497

Outros

4,7

7,0

7,6

2,4

N.A.

fração “plástico mole” possui baixo poder calorífico (11.708 kJ/kg), estando na mesma ordem de grandeza da “fração orgânica” e de “papel/papelão”. Levando em consideração as umidades de cada fração, a qual é prejudicial ao tratamento térmico, pode-se concluir ainda que as frações de “matéria orgânica” e “papel/ papelão” devem ser evitadas em processos térmicos, pois apresentam baixo potencial calorífico e elevada umidade. Por outro lado, essas duas frações são extremamente favoráveis ao potencial energético dos RSU em aterros. Dessa forma, o fluxo energético mais favorável para as frações dos RSU, após uma prévia segregação, seria: a) direcionamento para reutilização ou reciclagem dos materiais economicamente viáveis; b) direcionamento para aterros sanitários ou sistemas de compostagem das frações “orgânicas” e de “papel/papelão” não reciclável; e c) direcionamento das frações remanescentes para tratamento térmico, desde que a análise financeira e ambiental desta alternativa esteja bem fundamentada. Além das amostras coletadas durante o enchimento, procedeu-se à caracterização química de 18 amostras de resíduos da célula experimental com cerca de 1 ano de idade, bem como de 5 amostras antigas com cerca de 12-15 anos do Aterro da Muribeca, PE. Os resultados dessa caracterização estão apresentados 164

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na Tabela 3. Observa-se uma redução de cerca de 40% no teor de sólidos voláteis (SV) após cerca de 1 ano de disposição dos resíduos na célula, o que mostra uma acelerada atividade de biodegradação nesse curto período. De acordo com a literatura, resíduos com SV entre 10% e 20% já podem ser considerados bioestabilizados. Os outros parâmetros químicos apresentaram redução significativa num horizonte de tempo de 12 a 15 anos, o que mostra a influência da idade na decomposição dos resíduos. Por se tratar de substância de estrutura molecular complexa e de difícil degradação, o teor de lignina não apresentou comportamento similar ao dos outros constituintes químicos, como era de se esperar.

Tabela 3 – Caracterização química dos resíduos da Muribeca Local de amostragem Célula experimental (enchimento - 4 amostras)

Idade

Sólidos Carboidratos Proteína Lipídeos volat. (%) (%) (%) (%)

Lignina (%)

Novo (≈ 15 47,4 ± 9,2 26,5 ± 9,2 6,7 ± 1,3 dias)

1,1 ± 0,5

8,9 ± 2,4

Célula experimental <1 ano 28,8 ± 9,9 24,9 ± 6,5 3,3 ± 0,7 (SPT - 18 amostras)

1,3 ± 1,0

11,4 ± 5,2

< 0,1

7,1 ± 2,3

Aterro Muribeca (5 amostras)

12-15 anos

8,9 ± 1,2

4,8 ± 3,0

0,6 ± 0,1

Outro ensaio importante realizado para caracterizar os resíduos foi o teste do Potencial Bioquímico do Metano (BMP), o qual é um ensaio para avaliar o potencial de geração do biogás dos resíduos em laboratório. A descrição completa da metodologia do ensaio encontra-se em Alves (2008). A Figura 4 apresenta o dispositivo BMP e os reatores de bancada desenvolvidos na UFPE. O volume total de biogás produzido nos ensaios BMP variou de 20 ml a 240 ml durante um período de 75 dias, estando os maiores valores associados aos resíduos do enchimento da célula experimental, e os menores, às amostras de resíduos antigas. O potencial de biogás por tonelada de resíduo novo variou de 112,7 a 172,4 Nm3/t (base seca).

Figura 4 – Ilustração do dispositivo BMP e reatores de bancada desenvolvidos na UFPE

165

3.3 Emissões fugitivas de CH4 A investigação das emissões superficiais de CH4 na célula experimental foi realizada seguindo a metodologia da placa de fluxo (Maciel, 2009), a qual permite determinar o fluxo de CH4 (volumétrico ou mássico) que escapa pelo solo de cobertura para a atmosfera. Em resumo, esse ensaio consiste na cravação cuidadosa de uma caixa metálica (base = 40 cm x 40 cm e altura = 5,0 cm) no solo e o monitoramento da composição, temperatura e pressão interna dos gases com o tempo. Um total de 48 ensaios foi realizado na cobertura superior (ensaios “EP”), taludes (“T”) e berma (“B”) da célula, com o objetivo de estimar a vazão de CH4 liberada para a atmosfera. A avaliação das emissões foi realizada por meio do mapeamento 2D, com base em curvas de isofluxo. Os resultados pontuais de cada ensaio foram interpolados utilizando-se a interpolação krigiana com o auxílio do programa Surfer. A Figura 5 apresenta o resultado do mapeamento 2D das emissões superficiais de CH4. As curvas de isofluxo estão expressas em Nl/h.m2. A estimativa total de liberação de CH4 para a atmosfera foi de 45,0 Nm3/h. Essa elevada taxa de emissão reflete a estação seca do ano e a situação de coleta de biogás sem extração forçada, as quais tendem a maximizar as emissões fugitivas. A determinação das perdas de CH4 para a atmosfera foi fundamental para estimar a eficiência do sistema de coleta do biogás da célula.

Figura 5 – Isofluxo de emissões fugitivas de CH4 com delimitação da célula

166

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3.4 Produção de biogás na célula experimental O monitoramento do biogás consistiu na avaliação semanal da composição, vazão, temperatura e pressão nos cinco drenos verticais existentes na célula e na rede de coleta de biogás. Os principais equipamentos utilizados no monitoramento foram: detector portátil Dragger X-am 7000 (concentração do biogás), termoanemômetro portátil (velocidade – faixa de 0 a 20 m/s), manômetro digital (pressão – faixa de 0 a 10 kPa) e termômetro digital do tipo termopar (faixa de 0 a 500 oC). A Figura 6 ilustra as medições de velocidade e concentração do biogás na célula experimental. A Figura 7 apresenta o resultado médio da composição do biogás até o 550º dia (julho/2009) da conclusão da célula experimental. Observa-se que o biogás, inicialmente, estava com baixa concentração de CH4, entretanto, após o fechamento da célula, as condições anaeróbias se estabeleceram de forma rápida (queda na presença de O2), indicando que os resíduos estão na fase metanogênica da decomposição dos resíduos com concentrações médias de CH4 e CO2 em torno de 55% e 40% respectivamente.

Figura 6 – Medição da velocidade na tubulação de coleta do biogás e da concentração no dreno

Figura 7 – Vazão de CH4 requerida pelo gerador em função da produção de energia

167

As Tabelas 4 e 5 apresentam a composição e a vazão média do biogás em cada dreno da célula respectivamente. Observa-se que os drenos DV-04 e DV-05 apresentaram maior influência das condições atmosféricas devido à presença de O2 no biogás. Esse fato também alterou a concentração de CH4, cujos valores foram inferiores a 50%. É importante verificar ainda que as vazões nesses dois drenos foram mais baixas que nos demais. Esse comportamento está diretamente relacionado com a profundidade útil dos drenos na célula, a qual foi inferior a 4 m. Os drenos DV-01, 02 e 03 apresentam profundidades da ordem de 7 m a 8 m. Em função da baixa qualidade do biogás nos DV-04 e 05, além da reduzida vazão, estes foram isolados do sistema de coleta da Usina Piloto da Muribeca para não prejudicar a qualidade do biogás e o desempenho do gerador. Observa-se ainda, na Tabela 5, a redução de 76,1% na vazão de biogás num intervalo de cerca de 18 meses (550 dias), reforçando a rápida velocidade de degradação dos resíduos com o tempo. Tabela 4 – Qualidade do biogás em cada dreno vertical da célula Dreno

Composição média do biogás (%) – Dez/07 a Jul/09 CH4

CO2

DV-01

55,0 ± 5,7

40,8 ± 3,5

1,0 ± 1,7

DV-02

55,7 ± 4,0

41,0 ± 2,4

0,7 ± 0,8

DV-03

54,3 ± 6,0

40,9 ± 3,8

1,1 ± 1,7

DV-04

49,5 ± 13,0

36,5 ± 8,2

2,8 ± 4,2

DV-05

46,3 ± 15,1

35,0 ± 10,8

3,5 ± 5,1

Tabela 5 – Qualidade do biogás em cada dreno vertical da célula Dreno

Captação (t = 0*) (Nm3/h)

Captação (t = 550 dias*) (Nm3/h)

Redução % em 550 dias

Biogás

CH4

Temp. (°C)

Biogás

CH4

Temp. (°C)

Biogás

CH4

Temp. (°C)

DV-01

53,4

30,4

50,3

16,0

9,1

31,8

70,0

70,1

36,8

DV-02

41,0

22,6

48,6

13,1

7,5

32,5

68,0

66,8

33,1

DV-03

58,4

26,8

49,3

17,8

10,2

32,2

69,5

61,9

34,7

DV-04

25.6

9,8

54,4

2,6

1,4

30,7

89,8

85,7

43,6

DV-05

15,1

7,7

54,8

2,5

1,4

31,6

83,4

81,8

42,3

SOMA

193,5

97,3

-----

52,0

29,6

-----

76,1** 73,3**

-----

Obs.: t = o (valor médio do mês de jan/08) e t = 550 dias (valor médio do mês de jul/09); ** média.

A Figura 8 apresenta o monitoramento da vazão de biogás captada pelo sistema de coleta da célula experimental e as previsões feitas com os modelos do IPCC (2006) e 168

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USEPA (Landgem) com base em parâmetros default. Observa-se uma elevada captação de gás no início do monitoramento, a qual foi de 4 a 5 vezes superior que o previsto pelos referidos modelos. Por outro lado, existe uma queda acentuada da vazão com o tempo, a qual tenderá a ficar menor que o previsto após 2011. Tal fato indica que a velocidade de degradação dos resíduos para as condições climáticas e operacionais da célula experimental é muito mais rápida e intensa que o previsto na literatura. Maciel (2009) estimou que esses valores representam 41,4% da produção total de biogás da célula, haja vista que uma parcela da produção ficou acumulada na célula e que outra foi liberada pela camada de cobertura como emissões fugitivas (ver item 3.3). Quando o compressor está em operação (extração forçada dos gases), a eficiência de coleta atingiu valores da ordem de 60% do total de biogás produzido na célula.

Figura 8 – Evolução da captação do biogás na célula experimental e previsão teórica IPCC e EPA

3.5 Avaliação do aproveitamento energético Os testes preliminares de produção de energia na Usina Piloto da Muribeca foram realizados em dezembro de 2008 e janeiro de 2009. A falta de parâmetros de referência para operacionalizar o equipamento com biogás de aterros de RSU foi um grande desafio para o desenvolvimento da pesquisa. Vale ressaltar que esse tipo de gerador nunca tinha sido aplicado em aterros sanitários no Brasil, mas sim em projetos de suinocultura, onde as condições do biogás são distintas. A avaliação da eficiência elétrica do sistema foi realizada comparando-se o poder calorífico teórico do combustível e a energia elétrica produzida no sistema. O poder calorífico inicial do biogás foi calculado multiplicando-se o potencial teórico do CH4 de 35,9 MJ/m3 (Environmental Agency, 2002) pela vazão requerida pelo gerador. A Figura 9 apresenta as vazões de CH4 requeridas pelo gerador para as três configurações testadas na fase inicial da pesquisa. No primeiro teste, com a configuração original do motor (Teste 1), a vazão de CH4 requerida para atingir a carga máxima do sistema foi de 49,3 Nm3/h. A eficiência do sistema nesse teste 169

foi de apenas 3,6%. Após os ajustes preliminares de regulagem da entrada de ar com fita adesiva (Teste 2), a eficiência elétrica do gerador aumentou para 13,5% e a vazão de metano requerida decresceu para 13,6 Nm3/h. O Teste 3 foi realizado após a instalação da válvula de controle da entrada de ar e de mais duas válvulas de ajuste fino e de um medidor volumétrico do biogás. A vazão de CH4 requerida decresceu para 7,8 Nm3/h, com a produção de energia de 18,4 kWh e a eficiência elétrica de 23,5%. A Figura 10 ilustra as intervenções realizadas no gerador para garantir um melhor rendimento e eficiência elétrica do sistema.

Figura 9 – Vazão de CH4 requerida pelo gerado em função da produção de energia

Figura 10 – Ilustração das intervenções no gerador para melhoria da eficiência elétrica

170

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Após o ajuste definitivo do sistema (Teste 3), foram realizados, numa segunda etapa, mais dois testes de produção de energia. Os resultados obtidos nos Testes 4 e 5 foram melhores que o do Teste 3 e estão consolidados na Tabela 6, a qual indica que a vazão de CH4 requerida pelo sistema reduziu para patamares da ordem de 5 Nm3/h, para a produção de 17,4 kWh. Com base nesses valores, a eficiência final do sistema nos Testes 4 e 5 variou de 23,7% a 34,9% para o limite superior de produção de energia obtido na pesquisa (cerca de 17,4 kWh, algo em torno de 87% da potência instalada do gerador = 20 kW). Este estudo permitiu determinar ainda que existe uma faixa de produção de energia cujo rendimento do gerador foi mais eficiente, a qual ficou em torno de 15 kWh (75% da potência instalada), com a eficiência elétrica variando de 33,6% a 41,1%. Tabela 6 – Resultados consolidados dos cinco testes de produção de energia Máx. energia produzida (kWh)

Teste

% potência Vazão CH4 instalada - requerida 20kW (Nm3/h)

Consumo (Nm3/ kWh)

Eficiência elétrica (%)

Conf. inicial

17,9

89,5

49,3

2,761

3,6

Fita adesiva

18,2

91,0

13,6

0,746

13,5

Válvulas + medidor

18,4

92,0

7,8

0,427

23,5

Válvulas + medidor

17,5

87,5

7,8

0,423

23,7

Válvulas + medidor

17,4

87,0

5,0

0,287

34,9

A literatura técnica (Usepa, 1996; Bove e Lunghi, 2006; Chambers e Porter, 2002) ressalta que os motores de combustão interna (MCI) utilizados como geradores síncronos de energia apresentam eficiência elétrica variando de 20% a 45%. Devine (2004) obteve eficiência da ordem de 38 a 40% e está desenvolvendo um projeto específico de motores para obter 50% de eficiência até 2010. Por outro lado, estudo desenvolvido por Coldebella (2006) em um sistema de geração assíncrono (gerador de indução) obteve eficiência elétrica de 4,17% e 10,3% com biogás de bovinocultura e suinocultura respectivamente. A eficiência elétrica obtida na Usina Piloto da Muribeca está na mesma faixa de valores da literatura técnica internacional para motores de geração síncrona (20% a 45%) e foi mais satisfatória que o reportado no estudo de Coldebella (2006). No que se refere ao consumo de biogás do gerador, os valores obtidos 171

variaram de 0,287 a 0,427 Nm3CH4/kWh para a faixa de produção de 17,4 kWh e de 0,244 a 0,298 Nm3CH4/kWh para faixa de produção de melhor rendimento (em torno de 15 kWh). Esses valores estão coerentes com a literatura técnica internacional, que reportou valores da ordem de 10.920 kJ/kWh (ou 0,3 Nm3CH4/ kWh) para motores MCI. Conclui-se, portanto, que os parâmetros de operação do gerador na Usina Piloto da Muribeca foram: a) pressão de entrada no motor < 0,25 kPa; b) rotação do motor = 1.880 rpm; c) intensidade média de corrente elétrica = 32 a 34 A; d) vazão de CH4 requerida no sistema em torno de 5 Nm3/h; e e) tensão gerada na rede = 360 V. Tais parâmetros garantem uma produção de energia superior a 17 kWh (acima de 85% da capacidade instalada da Usina) e uma eficiência elétrica de 23,7% a 34,9%. A Figura 11 apresenta a produção acumulada de energia na Usina Piloto da Muribeca no período de janeiro a julho de 2009. Observa-se que o valor acumulado até final de julho de 2009 foi de 6.559 kWh. Essa produção de energia foi obtida em 349,2 horas úteis de operação, obtendo-se, assim, uma produção de 428,5 kWh/dia ou, simplesmente, 17,8 kW de potência útil. Esse valor representa um percentual de 89,3% da capacidade instalada da Usina (20 kW) e está coerente com os parâmetros de operação da Usina Piloto obtidos nos testes preliminares. Conclui-se, portanto, que a Usina Piloto da Muribeca está operando satisfatoriamente e conforme planejamento previamente realizado na pesquisa.

Figura 11 – Produção de energia acumulada no período de jan/09 a jul/09

3.6 Análise de viabilidade do projeto A análise de viabilidade do aproveitamento do biogás teve como objetivo verificar os resultados econômico-financeiros do projeto a partir de parâmetros experimentais de produção de biogás e de operação da Usina Piloto da Muribeca. 172

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Essa análise foi baseada na metodologia descrita por Rodrigues (2009), levandose em consideração a previsão de receitas e despesas do empreendimento e a determinação do Valor Presente Líquido (VPL) e da Taxa Interna de Retorno (TIR), os quais são indicadores usuais de avaliação financeira de empreendimentos. O período de análise foi de 10 anos. Os tipos de projetos contemplados foram: Tipo I – projeto exclusivo com geração de energia elétrica; Tipo II – projeto exclusivo com queima do biogás para obtenção de Certificados de Emissões Reduzidas (CERs); e Tipo III – projeto combinando os tipos I e II. O levantamento das receitas e despesas do projeto e as considerações técnicas realizadas nesta análise estão apresentados em Maciel (2009). A análise financeira do projeto Tipo I mostra que o empreendimento só é viável se for utilizada a capacidade plena de geração de energia da Usina Piloto da Muribeca (120 kW) e se a venda da energia for realizada com a tarifa de R$ 0,448/ kWh, a qual é o preço final da energia fornecida pela Companhia Pernambucana de Energia (CELPE) no Aterro da Muribeca, PE. Para essa situação, o investimento inicial necessário foi de R$ 294.564,50, o VPL de R$ 86.660,70 e a TIR de 17,5%. As outras tarifas consideradas, de R$ 0,229/kWh (preço máximo definido pela ANEEL para energia de biogás) e de R$ 0,132/kWh (preço de venda da energia do Aterro São João/SP), tornam o projeto inviável financeiramente. O projeto Tipo II é o mais atrativo financeiramente entre os tipos de projetos analisados. O investimento inicial previsto foi de R$ 163.206,50. O VPL e a TIR desse empreendimento podem chegar a R$ 547.398,60 e a 154,1% respectivamente. Essa alta viabilidade pode contribuir para a sustentabilidade da gestão de RSU de pequenos e médios municípios do país, onde as condições operacionais dos aterros podem ser semelhantes às deste projeto. O estudo de viabilidade do projeto Tipo III também dependerá da tarifação de venda da energia elétrica para se tornar viável. Quando se considera a tarifação mais baixa (R$ 0,132/kWh), o projeto é inviável, entretanto a situação se inverte quando se consideram as tarifas de R$ 0,229/kWh e de R$ 0,448/kWh. O VPL e TIR deste projeto podem chegar a R$ 682.351,30 e a 65,9% respectivamente. O investimento inicial previsto para este projeto foi de R$ 343.126,50. Comparando-se os resultados dos projetos Tipo I, II e III, pode-se concluir que, para o porte da célula experimental, o empreendimento se torna mais atrativo se for considerada apenas a obtenção dos CERs pela queima do biogás. Nessa situação, o TIR pode chegar a um valor máximo de 154,1% (venda do CERs a € 25,0/tCO2eq). Se houver produção e venda de energia elétrica simultaneamente, o projeto continua sendo viável, mas com restrições de tarifação. Atualmente, observa-se que a tendência de mercado dos projetos MDL existentes no Brasil é a de considerar apenas a queima do biogás com validação dos 173

créditos de carbono. Os projetos de energia ficam mais restritos aos grandes aterros de RSU ou a situações específicas de negociação de melhor tarifa para venda da energia elétrica gerada no empreendimento. Essa situação pode ser alterada para aterros localizados em regiões remotas ou distantes de grandes centros produtores de energia elétrica, onde a energia elétrica pode ter uma valorização mais expressiva.

4 CONCLUSÃO A pesquisa realizada na célula experimental do Aterro da Muribeca, PE, permitiu desenvolver novas metodologias para a caracterização físico-química e para a avaliação do potencial de biogás dos resíduos, as quais contribuíram para definir parâmetros locais da degradação dos resíduos. Tais parâmetros são fundamentais para garantir previsões mais realistas da produção de biogás e, consequentemente, do potencial energético dos aterros de RSU no Brasil. Vale ressaltar que alguns projetos de recuperação de biogás já implantados no país apresentaram falhas nos critérios de previsão da geração de gases, uma vez que foram baseados em parâmetros internacionais que não se aplicam bem à realidade brasileira. Os resultados deste estudo indicam que a geração de biogás ocorre de forma mais acelerada e em maior quantidade que o previsto na literatura internacional. Esse fato deve ser considerado para futuros estudos de viabilidade de projetos de aproveitamento do biogás em aterros sanitários. A geração de energia elétrica deve sempre ser analisada em projetos de aproveitamento do biogás, considerando os fatores locais de disponibilidade de energia na região, além dos condicionantes econômico-financeiros e socioambientais. A eficiência elétrica obtida na Usina Piloto da Muribeca está enquadrada dentro da faixa de valores reportados na literatura. A análise de viabilidade financeira do empreendimento mostrou que o projeto com venda de energia elétrica é viável, com restrições de tarifação, entretanto, quando os Certificados de Emissões Reduzidas (CERs) são considerados por meio do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), a viabilidade se torna altamente positiva. Por fim, destaca-se que este trabalho pode ser de grande valia para o desenvolvimento de uma matriz energética renovável que vem sendo pouco explorada no Brasil, a qual pode ser aplicada em vários aterros, principalmente considerando o porte e a taxa de disposição de resíduos dessa célula, que são semelhantes aos de pequenos e médios municípios brasileiros.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES, IRFS. Análise experimental do potencial de geração de biogás em resíduos sólidos urbanos. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, UFPE, Recife, 2008. BOVE, R; LUNGHI, P. Electric power generation from landfill gas using traditional e innovative technologies. Energy Conversion and Management, v. 47, p. 1391-1401, 2006. CHAMBERS, AK; PORTER, I. Gas utilization from sewage waste. Carbon and Energy Management, Alberta Research Council, Edmonton, Alberta, T6N1E4, Canadá, 2002. COLDEBELLA, A. Viabilidade do uso de biogás da bovinocultura e suinocultura para geração de energia elétrica e irrigação em propriedades rurais. Dissertação de Mestrado em Engenharia Agrícola, Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, 2006. DEVINE, MA. New paradigms in efficiency, emissions and power cost in landfill gas fueld generators. In: Landfill Gas Symposium, 27, SWANA, San Antonio, Texas, Mar. 2004. ENVIRONMENTAL AGENCY. Guidance on landfill gas flaring. Bristol, UK, Sept. 2002. IPCC – INTERGOVERNMENTAL PAINEL ON CLIMATE CHANGE. Guidelines for national greenhouse gas inventories. Chapter 3: Solid waste disposal, 2006. IBGE – INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Pesquisa Nacional de Saneamento Básico – PNSB, 2000. MACIEL, FJ. Geração de biogás e energia em um aterro experimental de resíduos sólidos urbanos. Tese de doutorado em Engenharia Civil, UFPE, Recife, 2009. MACIEL, FJ; JUCÁ, JFT. MSW test cell for energy recovery at the Muribeca Landfill. In: Sardinia, 2007, Eleventh International Waste Management and Landfill Symposium, Cagliari, Itália, 2007. CD-ROM. RODRIGUES, TSN. Estudo da viabilidade do aproveitamento energético do biogás gerado em uma célula experimental no Aterro Controlado da Muribeca/ PE. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, UFPE, Recife, 2009. USEPA – UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Turning a liability into an asset: a landfill gas-to-energy project development handbook. Landfill Methane Outreach Program (LMOP), EPA 430-B-96-0004, 1996.

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>>> METODOLOGIA DE ROTULAGEM AMBIENTAL NO BRASIL: IDENTIFICAÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E SELEÇÃO POR CRITÉRIOS AMBIENTAIS E SOCIOECONÔMICOS DOS REFRIGERADORES RESIDENCIAIS Herculano Xavier da Silva Junior

RESUMO A presente monografia apresenta o trabalho de tese de doutorado elaborado no curso de Planejamento de Sistemas Energéticos da Unicamp. O objetivo da tese é criar uma metodologia de identificação, classificação e seleção dos refrigeradores residenciais, de acordo com critérios ambientais e socioeconômicos a serem propostos e estabelecidos num Programa de Rotulagem Ambiental Brasileiro. Com o desenvolvimento dessa metodologia, é possível avaliar o atual patamar evolutivo do setor, as possibilidades de melhoria da qualidade ambiental e os ganhos, tanto ambientais quanto socioeconômicos e energéticos, com a substituição do parque de refrigeradores residenciais. A metodologia foi dividida em duas partes principais: a primeira parte é responsável pela metodologia de identificação, classificação e seleção dos refrigeradores para a concessão do Rótulo Ambiental Brasileiro. Tal metodologia foi desenvolvida seguindo os conceitos de Ciclo de Vida do Produto, análise de risco e princípio de Pareto; a segunda parte, “Ganhos Globais”, é focada no desenvolvimento da metodologia de análise técnico-econômica, que fornece os resultados das possíveis economias alcançadas com a simulação da substituição do parque de refrigeradores antigos do país. Os resultados alcançados com a simulação da metodologia desenvolvida apresentam importantes dados para subsidiar o desenvolvimento de um programa de rotulagem ambiental brasileiro para refrigeradores residenciais. Uma conclusão importante é a necessidade de se olhar com mais cuidado para os gases contidos nos refrigeradores antigos e/ou usados nos novos, cujo potencial de aquecimento global apresenta-se consideravelmente alto. Diante disso, este estudo de tese pode ser utilizado como auxílio aos planejadores e/ou tomadores de decisão no tocante à realização de planejamentos estratégicos tanto para o governo (no auxílio à formação de políticas públicas), quanto para o setor industrial, para auxiliar em linhas de pesquisas de desenvolvimento de produtos (refrigeradores) com menor impacto ambiental, em benefício da sociedade. PALAVRAS-CHAVE: Rotulagem ambiental. Critérios ambientais. Eficiência energética. Redução de emissão de CO2. 177

ABSTRACT The present monograph illustrates the doctorate thesis work elaborated in the curse of Energy System Planning at Unicamp. The objective of the thesis is to create a methodology to identify, rank and select household refrigerators in accordance to environmental and socioeconomic criteria set by a Brazilian Ecolabelling Programme. With the development of this methodology is possible to identify the current evolutive status of the Sector, the possibilities of improvements in environmental quality and the gains, either environmental, economic or in terms of energy savings, by replacing the household refrigerators stock. The methodology was divided in two main parts: the first part presents the methodology for the identification, ranking and selection of the refrigerators to concede the Brazilian Ecolabel. This methodology was developed based on the concepts of Product Life Cycle, risk analysis and Pareto principle; the second part (“Global Gains”) is focused on the development of the technical-economic analysis methodology that provide the results of the potential savings with the simulation of the replacing of the country’ stock of old refrigerators. The results achieved by the simulation of the methodology developed in this study provide important data to subsidize the development of the Brazilian Ecolabelling Programme for household refrigerators. An important conclusion is the need to take a closer look at the gases contained in old refrigerators and/or in new refrigerators, which present considerably high Global Warming Potential. Thus, this Thesis can contribute to assist planners and decision makers in developing strategic plans either by the government (development of public policies) or by the industrial sector to assist the definition of the Products Research and Development activities (refrigerators) with smaller environmental impact, to benefit society. KEYWORDS: Ecolabelling. Environmental criteria. Energy efficiency. CO2 emission reduction.

1 INTRODUÇÃO 1.1 Rotulagem ambiental Os rótulos ambientais visam orientar a preferência do consumidor em adquirir produtos com melhor desempenho, menor consumo energético e menores impactos negativos ao meio ambiente, quando comparados com produtos de similar funcionalidade no mercado. Ao mesmo tempo, estimula os fabricantes a desen178

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volverem novas tecnologias “menos poluentes”, mantendo-se, dessa forma, na corrida em busca do desenvolvimento sustentável e de uma nova classe de consumidores mais conscientes e responsáveis. Surgiu, em 1977, o primeiro programa de rotulagem ambiental implantado por um país, o programa alemão Blue Angel. Devido a seu sucesso, foi utilizado como exemplo para outros países no desenvolvimento de seus programas, tais como o programa canadense Environmental Choice, em 1988; o Eco Mark, desenvolvido pelo Japão, em 1989; o primeiro programa privado, Green Seal, elaborado nos Estados Unidos, também em 1989; e o programa regional de maior abrangência, Ecolabelling, elaborado pela União Europeia, em 1992 (CLASP, 2005). Desde então, novos programas de rotulagem ambiental surgiram e, em 1994, foi fundada a Rede de Rotulagem Ambiental Mundial (GEN – Global Ecolabelling Network), a qual, em 2008, já contava com a participação de 26 paísesmembros (entre eles o Brasil) e com 24 programas de rotulagem ambiental em funcionamento (GEN, 2008). O Programa de Rotulagem Ambiental Brasileiro é coordenado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e foi idealizado em 1993. Atualmente, sua única utilização é na certificação de florestas plantadas no Brasil, o CERFLOR, que segue a norma NBR 14789, de “Manejo Florestal” (INMETRO, 2009). No caso específico dos eletrodomésticos e, mais precisamente, dos refrigeradores residenciais, o Brasil ainda não possui um programa de rotulagem ambiental, critérios ambientais específicos e nem uma metodologia de identificação, classificação e seleção dos melhores aparelhos (na visão técnico-ambiental e socioeconômica) atualmente produzidos e/ou comercializados no país. Para a criação de critérios ambientais, fez-se uma análise crítica dos refrigeradores de uma porta utilizados, comercializados e/ou produzidos no Brasil. No fator técnico-ambiental é que foi identificado o maior potencial de contribuição deste estudo para o país, sociedade e meio ambiente, com a criação de critérios ambientais e implantação de um programa de rotulagem ambiental para refrigeradores domésticos no Brasil. Atualmente, no país, existem cerca de 47 milhões de refrigeradores instalados nas residências. Destes, aproximadamente 20 milhões (42%) têm 8 anos ou mais de uso, ou seja, a maior parte ainda utiliza o gás refrigerante CFC, proibido a partir de 1º de janeiro de 2001 no Brasil (Melo e Jannuzzi, 2008). Outra justificativa para o trabalho é que o refrigerador está entre os aparelhos que mais consomem eletricidade em uma residência, sendo o responsável por 22% de todo o consumo (Eletrobrás/Procel, 2007). Isso significou, diante do consumo apresentado pelo setor residencial brasileiro em 2007, um montante de 21,97 TWh (BEN, 2008). 179

Um ponto importante é que o refrigerador já faz parte da categoria “Eletrodomésticos”, escolhida pela ABNT para a criação dos critérios ambientais para o Programa de Rotulagem Ambiental brasileiro, porém ainda na teoria. Outros aspectos considerados importantes para esta pesquisa estão relacionados com o conceito de ciclo de vida do produto. Por exemplo, através do conceito de ciclo de vida é possível verificar que os gases refrigerantes e os gases agentes de expansão de espumas, utilizados nos refrigeradores, podem participar tanto quanto o consumo de energia elétrica apresentado pelo aparelho, ou até mais, em impactos negativos ao meio ambiente, como o do efeito estufa.

1.2 Objetivo da tese Portanto, o objetivo deste trabalho é criar uma metodologia de identificação, classificação e seleção dos refrigeradores residenciais, de acordo com critérios ambientais e socioeconômicos a serem estabelecidos num programa de rotulagem ambiental brasileiro, para identificar o atual patamar evolutivo do setor, as possibilidades de melhoria da qualidade ambiental e os ganhos, tanto ambientais quanto socioeconômicos e energéticos, com a substituição do parque de refrigeradores residenciais.

2 METODOLOGIA PROPOSTA: PARTE 1 - CONCESSÃO DO RÓTULO AMBIENTAL BRASILEIRO E PARTE 2 – GANHOS GLOBAIS A metodologia aqui desenvolvida é dividida em duas partes. A primeira parte, “Concessão do Rótulo Ambiental”, está focada na identificação, classificação e seleção dos refrigeradores residenciais comercializados no país. A segunda parte, “Ganhos Globais”, é o desenvolvimento de cálculos para estimar e avaliar os ganhos técnicos, socioeconômicos e ambientais, com uma possível substituição do parque de refrigeradores antigos encontrados no Brasil.

2.1 Representação geral da metodologia de rotulagem ambiental proposta A Figura 1 ilustra o fluxograma esquemático da metodologia de rotulagem ambiental proposta por este estudo. 180

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Figura 1 - Fluxograma esquemático da metodologia de rotulagem ambiental proposta por este estudo de tese

2.2 Critérios ambientais O primeiro passo técnico da metodologia (Figura 1) é a definição dos critérios ambientais. Neste estudo considerou-se que os conceitos básicos contidos nas normas de rotulagem e declarações ambientais já estão bem fundamentados em programas como o Programa de Rotulagem Ambiental da União Europeia, Ecolabelling, e o Programa de Rotulagem Ambiental Green Seal, dos Estados Unidos. Desse modo, assume-se que a metodologia parte do princípio de analisar criticamente e de utilizar critérios ambientais já experimentados por esses bons exemplos internacionais de programas de rotulagem ambiental, ou seja, utilizar “Critérios Ambientais” com análise crítica para adaptação ao caso brasileiro. Para este trabalho, assumem-se, para aplicação e análise do comportamento da metodologia aqui proposta, os critérios: economia de energia, gases refrigerantes (Ecolabel e Green Seal) e gases de expansão de espumas (Ecolabel), e incluiu-se mais um critério, o custo do ciclo de vida (CCV) do produto, que oferece um foco socioeconômico para o rótulo ambiental brasileiro. Entende-se que o critério CCV tem um importante apelo social, porque não adianta nada o refrigerador conter tecnologias que minimizam ao máximo os impactos am181

bientais negativos se a população não tiver condição para adquiri-lo. E como a maior parte da população brasileira ainda apresenta baixo poder aquisitivo, tornou-se grande a motivação para inserção do critério CCV, que é considerado como sendo uma das contribuições deste trabalho.

2.3 Descrição da metodologia para rotulagem ambiental dos refrigeradores Apresenta-se, aqui, toda a sequência da formulação desenvolvida perante variáveis de delineamento de faixa de valores, que refletem menores e/ou maiores impactos ambientais dos refrigeradores em uso e nas futuras utilizações, com a entrada de novos modelos no mercado.

2.4 Primeira parte da metodologia proposta: dados necessários dos refrigeradores analisados A sugestão de criação dos critérios ambientais e socioeconômicos leva à necessidade da identificação e formação de variáveis de entrada segundo os seguintes passos (Figura 1): a) identificação dos refrigeradores; e b) valoração do risco ambiental (classificação). As variáveis devem ser dispostas de tal forma que possam ser utilizadas e traduzidas posteriormente em informações quantitativas, que possibilitam encontrar valores representativos de riscos ambientais. Tais valores de risco ambiental permitirão classificar os refrigeradores segundo o nível de risco atingido diante das faixas de risco determinadas pela metodologia desenvolvida e amostragem de refrigeradores analisada. As variáveis de entrada devem fornecer, sobre os refrigeradores, as informações técnicas, ambientais e socioeconômicas que são exigidas para a realização da análise de risco e, consequentemente, para a classificação dos refrigeradores produzidos e/ou comercializados no Brasil. Definidas as variáveis necessárias para a avaliação dos refrigeradores com a análise de risco, o próximo passo dado, para aplicação da metodologia proposta, é definir os parâmetros de aprovação e reprovação dos refrigeradores nos critérios escolhidos para o rótulo ambiental brasileiro. Os critérios podem ser apresentados conforme descrito nas seções a seguir.

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2.4.1 Critério 1º: Selo Comparativo de Eficiência Energética (SEE) e Índice de Capacidade de Refrigeração (ICR) Nesse critério, a exigência está vinculada à melhor categoria de eficiência energética apresentada no selo comparativo brasileiro atrelado ao ICR (aumento de desempenho energético) apresentado pelos melhores refrigeradores. Melhor explicando, seguindo o raciocínio dos programas bem-sucedidos Green Seal (Categoria A+20%) e Ecolabelling (A+24% ou A++45%), é assumida a categoria “A” do selo de eficiência energética brasileiro como sendo A+ganho % no ICR para o rótulo ambiental brasileiro. Isso requer os passos a seguir. O cálculo do ICR é dado por:

(1)

(2)

onde ICR = índice de capacidade de refrigeração; VA = volume ajustado (litros); CEE = consumo de energia elétrica (kWh/ano); Vref = volume do refrigerador (em litros); cte1 = constante; e VC = volume do congelador (em litros).

À medida que o ICR aumenta, o refrigerador mostra-se menos impactante ao meio ambiente, ou seja, os refrigeradores mais eficientes possuem maior capacidade de refrigeração por unidade de energia elétrica consumida (kWh consumido) e, consequentemente, menos necessidade de criação de novas instalações de geração de energia elétrica no país para uma mesma capacidade funcional de refrigeração (p. ex., termelétricas a gás natural, carvão ou óleo combustível, hidrelétricas, etc.). Todavia, o conceito e o critério definidos para a tomada de decisão final do valor do ICR exigido pelo critério 1º e, consequentemente, para dar o primeiro passo em direção da conquista do direito de usar o rótulo ambiental brasileiro estão alicerçados no Princípio 80/20, de Pareto. Dessa forma, uma vez aceito o Princípio 80/20, como usá-lo na determinação do ICR exigido para o critério 1º? Buscando uma resposta, chegou-se à seguinte constatação: que é necessário identificar o valor de ICR que aproxime os 20% de esforços/ações para garantir que aproximadamente 80% dos refrigeradores aprovados na categoria “A” do SEE apresentem resultados satisfatórios de aprovação do critério para o rótulo ambiental. Pensa-se que, através dessa definição, assumida para uma primeira rodada de aplicação do rótulo ambiental brasileiro, estar-se-á minimizando uma possível caracterização de proteção do mercado e/ou privilegiando um ou outro fabricante de refrigeradores. 183

2.4.2 Critério 2º: Tipo de Gases Refrigerantes (TGR) O nível de exigência do rótulo ambiental quanto ao uso de gases refrigerantes nos refrigeradores é baseado na não utilização de gases que destroem a camada de ozônio (PDO), como os gases com CFCs, ou seja, os gases devem apresentar PDO = 0 (zero) para serem aceitos pelo critério 2º. Outro fator levado em consideração é o potencial de contribuição para o aquecimento global (PAG). Nos programas citados anteriormente, os gases refrigerantes devem apresentar um PAG ≤ 15 (com base no CO2 em 100 anos) para serem aprovados. Para o caso Brasil, este estudo propõe o uso do gás isobutano (R600a), “ou gás de similar PAG”, como exigência máxima desse critério. Essa escolha é feita com base em informações de que tal gás possui baixíssimo PAG (igual a 3) e pelo fato de este gás já estar sendo utilizado, em escala industrial, na fabricação de refrigeradores no Brasil. Facilitase, dessa forma, a adaptação de outras fabricantes de refrigeradores no país e se mostra que é possível/viável o cumprimento de tal exigência para a concessão de um rótulo ambiental brasileiro. Atualmente, cerca de 90% dos refrigeradores fabricados no Brasil usam o gás refrigerante R-134a (HFC), que apresenta um PAG = 1.300 (MMA, 2009c), caracterizando um ganho expressivo para o meio ambiente se sofrer substituição pelo isobutano (R600a) ou equivalentes.

2.4.3 Critério 3º: Tipo de Gases Agentes de Expansão de Espumas (TGAE) De forma similar ao critério 2º, este critério deve exigir o uso de TGAEs nos refrigeradores que apresentem PDO = 0 e PAG ≤ 15 para serem aprovados. Porém, mais uma vez para o caso brasileiro, este estudo propõe a utilização do gás ciclo/isopentano (PAG = 10), “ou outro de Similar PAG”, como exigência máxima para o critério 3º. A escolha é embasada e justificada por dois fatores: o primeiro é seu grande potencial de redução na contribuição no efeito estufa, quando comparado com o atual gás de expansão mais usado no país, o HCFC (R-141b, com PAG = 700); o segundo fator é a viabilidade técnico-econômica apresentada pelos fabricantes de refrigeradores no Brasil, pois 39% dos modelos atualmente fabricados no mercado de refrigeradores brasileiro já utilizam o gás ciclo/isopentano como agente de expansão de espumas (INMETRO, 2008).

2.4.4 Critério 4º: custo do ciclo de vida Além das contribuições anteriores, que buscam adaptar cada critério ambiental para o Brasil e, ainda, sugerir níveis de exigências para uma primeira etapa 184

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de implantação do rótulo ambiental brasileiro, apresenta-se o critério 4º, que busca contribuir sob a óptica socioeconômica para o consumidor final e para o país. Nesse contexto, é focado o método de se chegar ao CCV exigido. Sendo assim, a forma de se encontrar o CCV de cada refrigerador é baseada na seguinte sequência de cálculos:

(3)

(4)

(5)

onde

onde CCV = custo do ciclo de vida do refrigerador (R$); P = preço de venda do refrigerador para o consumidor final (R$); CO = custo operacional (R$/kWh); CEE = consumo de energia elétrica (kWh/ano); TEE = tarifa de energia elétrica (R$/kWh); FRC = fator de recuperação de capital; r = taxa de retorno do investimento (em %); e n = vida útil do refrigerador (em anos). Os resultados encontrados mostram-se menos impactantes na visão socioeconômica na medida em que o CCV diminui, ou seja, os refrigeradores mais eficientes, combinados com seus preços de venda para o consumidor, podem apresentar vantagens de menor CCV para o consumidor final, oriundo do montante de economia de energia atingido ao longo de seu ciclo de vida (Silva Jr., 2005). O método adotado para a definição do percentual de redução do CCV exigido pelo critério 4º é o mesmo adotado para definição do ICR no critério 1º, ou seja, o Princípio de Pareto (80/20).

2.5 Segunda parte da metodologia proposta: ganhos globais A segunda parte da metodologia proposta tem por objetivo encontrar as possíveis economias atingidas com a substituição gradual do parque de refrigeradores domésticos existentes no país, com base nas informações de eficiência energética e ambiental advindas dos refrigeradores aprovados nos critérios exigidos pelo rótulo ambiental brasileiro.

185

2.5.1 Formulação do cálculo do número de refrigeradores substituídos por ano e seus respectivos consumos Toda a metodologia de cálculo das possíveis economias a serem alcançadas está vinculada ao número de refrigeradores no país, aos refrigeradores antigos substituídos, aos refrigeradores novos por substituição com caráter técnico-ambiental preferíveis, ao aumento da penetração nas residências e ao crescimento do número de residências ao longo dos anos. Com a obtenção de tais montantes de refrigeradores, é possível calcular e encontrar os respectivos consumos de energia elétrica (kWh) e, posteriormente, chegar às economias de energia elétrica e potência média reduzida com a substituição do parque de refrigeradores antigos do país. As Equações 6 e 7 ilustram a lógica de cálculo adotada para a obtenção do número de refrigeradores no país para o ano-base e anos subsequentes. Para o ano-base: e, para cada um dos anos subsequentes (prospecção),

(6)

(7) onde NRfPb = número de refrigeradores no país para o ano Base; NRfP = número de refrigeradores no país para os anos subsequentes; PRf = penetração dos refrigeradores nas residências, em %/ano; TCP = taxa de crescimento da penetração, em %/ano; NRd = número de residências; e TCRd = taxa de crescimento residencial, em %/ano. Subtraindo o montante de refrigeradores do ano-base do ano subsequente (NRfP – NRfPb), tem-se o número dos novos refrigeradores inseridos nas residências pelo aumento da penetração dos refrigeradores e pelo incremento de novas residências no país, conforme ilustrado na Equação 8: (8) onde NRfN = número de novos refrigeradores nas residências. Outro fator importante a ser considerado é a taxa de substituição de refrigeradores antigos por novos, que é inserida na Equação 9 da forma a seguir. Para o ano-base,

Para os anos subsequentes, 186

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(9) (10)

onde NRfSb = número de refrigeradores substituídos para o ano-base; NRfS = número de refrigeradores substituídos para os anos subsequentes; e TSRf = taxa de substituição de refrigeradores antigos, em %/ano. Para o cálculo do CRfN (consumo dos refrigeradores novos), assumiu-se a premissa de utilizar a média ponderada dos consumos máximos, ou ICR mínimos, amostrados por modelo e marca dos refrigeradores (categoria “A”), pelas fatias de mercado de seus respectivos fabricantes. Outro fator importante utilizado como premissa é a consideração do ganho de eficiência energética (GEE) exigido dos modelos de refrigeradores amostrados para a concessão do rótulo ambiental brasileiro. O uso da variável GEE é necessário para se atingir a economia de energia elétrica real com a substituição dos modelos antigos por modelos novos com mais alto desempenho técnico, socioeconômico e ambiental, aprovados pela metodologia de rotulagem ambiental proposta neste estudo. As Equações 11 e 12 seguintes ilustram matematicamente tais premissas.

(11)

(12)

onde CRfN = consumo dos refrigeradores novos no ano-base, em kWh/ano; NRfSN = número dos refrigeradores novos em substituição dos antigos; CPMA = consumo ponderado do mercado amostrado, em kWh/ano; GEE = ganho de eficiência energética, em %; F = fabricantes; n = número total de fabricantes analisados; CMM = consumo médio por marca dos refrigeradores categoria “A”, em kWh/ano; e FMF = fatia do mercado por fabricante, em %. Todavia, tem-se conhecimento de que os refrigeradores novos perdem eficiência ao longo de sua vida útil (assumida aqui como 16 anos), ocasionando um aumento gradativo de consumo de energia elétrica. Dessa forma, faz-se necessária a inserção de um fator de correção de eficiência (FCE) no GEE quando da realização da projeção do consumo dos refrigeradores novos com o passar dos anos. Sendo assim, definiu-se a inserção de um FCE a cada 5 anos de funcionamento do refrigerador a partir do ano de sua inserção no mercado. Para o cálculo do CRfN do quinto ano em diante, a Equação 11 deve ser aplicada pelas Equações 13 e 14:

(13)

(14)

187

onde GEEC = ganho de eficiência energética corrigido pelo FCE com o passar dos anos, em %; e FCE = fator de correção de eficiência, que significa ser o valor percentual (%) da perda de eficiência energética com o passar dos anos de uso do refrigerador. Para a inserção do FCE, assumiu-se a discretização do período de tempo em 5 anos, ou seja, de 0 a 5 anos deve-se usar a Equação 11; de 5 a 10, de 10 a 16 e acima de 16 anos deve-se usar a Equação 13, com um FCE respectivo para cada período. A escolha das faixas de anos é baseada na coleta das informações sobre os FCEs retiradas de Cardoso (2008). Para o cálculo do consumo dos refrigeradores antigos substituídos (CRfSA), considerou-se a hipótese da utilização do atual consumo ponderado do mercado amostrado (CPMA), juntamente com a fatia do mercado dos refrigeradores por idade (FMI) e seus respectivos percentuais de consumo superiores ao CPMA (PCMA), devido ao aumento do consumo dos refrigeradores com o aumento das respectivas idades, conforme as Equações 15 e 16.

(15)

(16)

onde CRfS = consumo dos refrigeradores substituídos por ano, kWh/ano; NRfS = número dos refrigeradores substituídos; CPRfA = consumo ponderado dos refrigeradores antigos, em kWh/ano; CPMA = consumo ponderado do mercado amostrado, em kWh/ano; FI = faixa de idade dos refrigeradores; n = número total de faixas de idade analisadas dos refrigeradores; FMI = fatia do mercado por idade, em %; e PCMA = percentual do consumo do mercado amostrado superior ao CPMA (citado acima). Com os consumos encontrados dos refrigeradores antigos substituídos (CRfS) e dos novos (CRfN), basta realizar a subtração entre esses consumos para obter a economia de energia elétrica (EEEL) alcançada por ano, com a utilização dos novos aparelhos mais eficientes. O valor monetário de tal economia pode ser calculado com a Equação 17:

(17)

onde VEEEL = valor economizado de energia elétrica por ano, em R$/ano; EEEL = economia de energia elétrica, em kWh/ano; TEEL = tarifa de energia elétrica regulada pela ANEEL, R$/kWh consumido; e IMP = imposto incidentes na tarifa de energia elétrica como ICMS, PIS, COFINS, etc., em %.

A contribuição desta seção está no nível de detalhes empregados até a obtenção da economia obtida com a substituição do parque de refrigeradores antigos.

188

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Normalmente, costuma-se calcular tais economias sem considerar o uso conjunto (ou até mesmo desconsiderar totalmente o uso) da fragmentação do número de refrigeradores por idade, fragmentação do consumo dos refrigeradores por idade e o fator de correção da eficiência ao longo da vida útil dos refrigeradores. Entende-se que tais fragmentações são importantes para a obtenção de resultados mais próximos da realidade, evitando, dessa forma, uma supervalorização dos ganhos de economias.

2.5.2 Formulação do cálculo da emissão de CO2 ao ambiente oriundo do tipo de geração de energia elétrica É sabido que a energia elétrica consumida pelos refrigeradores causa impactos diversos ao meio ambiente. Um desses impactos pode ser mensurado através do montante de CO2 lançado na atmosfera (Carbon Foot Print) decorrente da geração da energia elétrica. Esse montante possui relação direta com o tipo de planta geradora de eletricidade e com o tipo de combustível utilizado, como, por exemplo, geração de eletricidade por hidrelétrica e/ou termelétrica. Dessa forma, foi escolhida, para análise da matriz energética brasileira (que é um MIX de vários tipos de plantas geradoras de energia elétrica), a emissão média, em tCO2/MWh gerado, do Sistema Elétrico Interligado Nacional (SIN), fornecido pelo Ministério de Minas e Energia (MME). Com o fator de emissão (FECO2, em tCO2/MWh gerado) encontrado, o passo seguinte concentra-se em encontrar o montante de CO2 não emitido à atmosfera, com a economia de energia elétrica (EEEL), devido à substituição de refrigeradores antigos obsoletos. Tal montante de redução de emissão de CO2 na atmosfera pode ser representado na Equação 18.

(18)

onde RECO2 = redução de emissão de CO2, em tCO2 por ano; EEEL = economia de energia elétrica, em MWh/ano; e FECO2 = fator de emissão de CO2, em tCO2 / MWh gerado. Encontrado o valor de redução (RECO2) é possível simular o potencial de ganho de crédito de carbono através da criação de um projeto de MDL para ser apresentado ao mercado de crédito de carbono. O valor monetário obtido com o crédito de carbono é calculado na Equação 19:

(19)

189

onde VCC = valor do crédito de carbono, em R$ por ano; RECO2 = redução de emissão de CO2, em tCO2 por ano; CtCO2 = valor por tCO2 reduzido, em US$/tCO2; e FCUS$ p/ R$ = fator de conversão (câmbio) de dólar americano para real.

2.5.3 Formulação do cálculo da emissão de CO2 ao ambiente devido ao uso e/ou descarte incorreto dos gases refrigerantes e agentes de expansão de espumas Já é conhecido que certos tipos de gases refrigerantes usados no sistema de refrigeração dos refrigeradores e nas espumas isolantes podem contribuir tanto para a destruição da camada de ozônio quanto para o aumento do efeito estufa. Essas contribuições podem ser medidas por meio de valores denominados como potencial de aquecimento global (PAG), que representam efeitos equivalentes ao do CO2 na atmosfera (denominados como CO2 equivalentes). Diante do potencial de impactar o meio ambiente, reconhece-se a importância do desenvolvimento da formulação de cálculos que expressem, em valores numéricos, o montante da emissão de CO2 equivalente advindo dos refrigeradores substituídos, produzidos e/ou comercializados no país. Para tal, são utilizadas várias premissas na realização do cálculo do CO2 equivalente que viria a ser lançado ao ambiente caso não houvesse recuperação dos gases refrigerantes e de expansão de espumas. As premissas, que estão detalhadas nas Equações 20 a 23, servem tanto para o cálculo dos gases refrigerantes quanto para os gases de expansão de espuma.

(20)

onde QPG = quantidade do gás analisado, volume médio ponderado, em grama; FVR = faixas de volume analisadas dos refrigeradores; n = número total de faixas de volume analisadas; QG = quantidade do gás analisado, volume em gramas; e PG = penetração do gás analisado no mercado de refrigeradores, em %. Encontrada a QPG para cada gás em análise, a próxima etapa constitui-se no cálculo do montante de CO2 equivalente originado por refrigerador (Equação 21):

(21)

onde CO2eq = total ponderado de CO2 equivalente por refrigerador, em kg; e PAG = potencial de aquecimento global do gás analisado (GWP, em inglês). Para a extrapolação do montante ponderado de CO2 equivalente por refrigerador tanto para a população de refrigeradores antigos quanto para os novos, foram 190

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adotadas premissas como fragmentação do mercado de refrigeradores por faixa de idade e penetração dos gases por faixa de idade. Os detalhes matemáticos estão ilustrados na Equação 22:

(22)

onde PRSCO2eq = total de CO2 equivalente para a população de refrigeradores substituídos, em tonelada; FI = faixa de idade dos refrigeradores; n = número total de faixas de idade; NRfS = número de refrigeradores substituídos; FMI = fatia do mercado por idade, em %; PG = penetração do gás por FMI, em %; e CO2eq = total ponderado de CO2 equivalente por refrigerador por tipo de gás, em kg. Encontrados os PRSCO2eq para os tipos de gases refrigerantes e de expansão de espumas, a sequência do cálculo consiste na somatória dos PRSCO2eq encontrados para se obter o montante total de CO2 equivalente da população de refrigeradores substituídos. Para o cálculo do CO2 equivalente da população de refrigeradores novos em função da substituição, a equação matemática se apresenta um pouco diferente da equação dos refrigeradores substituídos, por não existirem faixas de refrigeradores por idade. Assim, a equação matemática é a 23:

(23)

onde PRNCO2eq = total de CO2 equivalente para população de refrigeradores novos em função da substituição, em tonelada; NRfNs = NRfS = número de refrigeradores novos em função da substituição; PG = penetração dos gases do mercado, em %; e CO2eq = total ponderado de CO2 equivalente por refrigerador, em kg. De forma similar aos refrigeradores substituídos, deve-se calcular, para os novos refrigeradores, o PRNCO2eq dos gases refrigerantes e de expansão de espumas e somá-los ao final para se obter o montante total de CO2 equivalente da população de refrigeradores novos. Pegando-se o montante de CO2 equivalente dos refrigeradores novos e subtraindo-o do montante de CO2 equivalente dos refrigeradores antigos, encontrase o potencial de redução de CO2 equivalente devido à troca dos refrigeradores. Encontrado o valor total de CO2 equivalente não emitido na atmosfera devido ao Programa de Rotulagem Ambiental, pode ser simulado o potencial de ganho de crédito de carbono mediante a criação de um possível projeto de MDL, para ser apresentado ao mercado de crédito de carbono, baseado na recuperação dos 191

gases refrigerantes e de expansão de espumas na disposição final dos refrigeradores substituídos. A equação para esse cálculo é igual à equação descrita anteriormente na Equação 19. Esta seção é considerada como sendo uma das principais contribuições desta segunda parte da metodologia proposta por esta pesquisa, porque faz alusão direta aos impactos negativos causados pela má eliminação dos gases refrigerantes e de expansão de espumas no meio ambiente. Fica evidente o porquê da metodologia de ACV estar por trás dos programas de rotulagem ambiental desenvolvidos ao redor do mundo: permitir o conhecimento real dos impactos ambientais de um produto, desde sua produção e uso até sua disposição final.

3 RESULTADOS ENCONTRADOS COM A SIMULAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA 3.1 Análise dos resultados alcançados com a implantação do rótulo ambiental Identificada a amostra de refrigeradores coletada (um montante de 64 modelos) e seu comportamento mediante a classificação e seleção individual dos critérios, juntamente com seus níveis de exigências propostos neste trabalho, chegouse à etapa de análise consolidada dos critérios, que concedeu ou negou o rótulo ambiental brasileiro para os modelos analisados. Na primeira simulação, buscou-se responder à seguinte pergunta: como se comportaria a metodologia desenvolvida e os refrigeradores analisados segundo o nível de exigência dos critérios ambientais dos programas Green Seal (EUA) e Ecolabelling (UE)? Para isso, cruzaram-se os critérios que poderiam ser comparados entre os três programas: proposta-tese para o Brasil, EUA e UE. Identificou-se que o critério 4º (CCV) não poderia ser avaliado pelo fato de ele ser de proposta exclusiva desta tese para o caso Brasil. Os outros três critérios puderam ser comparados tranquilamente, por serem exigidos em todos os programas. Os ganhos de eficiência foram comparados de forma absoluta, em valores percentuais. Analisando-se os resultados encontrados com a simulação dos três programas apresentados na Tabela 1 e com a exigência de três critérios, constatou-se que três modelos seriam aprovados em todos os programas de rotulagem. Isso ocorreu independentemente de o nível de exigência para concessão do rótulo ambiental ser nacional, ou não. Olhando-se para os critérios individualmente, identificou-se que somente houve alteração do montante de refrigeradores avaliados no critério 1ºb – ICR para o Ecolabel A++45, que apresentou uma redução de 31 para 28 192

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modelos aprovados. Vale ressaltar que, mesmo na UE, o nível de exigência A++45 é opcional para os refrigeradores aspirantes em conseguir a licença de uso do rótulo ambiental Ecolabel. É, de fato, obrigatório para os modelos aspirantes apresentar um ganho de eficiência A+24, o que os modelos de refrigeradores avaliados aqui cumpriram sem nenhum problema. Tabela 1 – Simulação Comparando Resultados das Exigências Brasil, EUA e UE

Proposta Brasil Green Seal atual (EUA)

Ecolabel atual (UE)

(Implantação)

AICR=+20%

A+20%

A+24%

A++45%

Consolidado sem CCV

Critério 1ºa – SEE (“A”)

Critério 1ºb – ICR

Critério 2º – TGR (PAG ≤ 15)

Critério 3º – TGAE (PAG ≤ 15)

Critério 4º – CCV (-18%)

Análise

não analisado/falta de dados

A sequência parcial e consolidada das simulações dos critérios serviu para evidenciar a flexibilidade da metodologia na inclusão de critérios e/ou exigências que se pode atingir. Seria, por exemplo, possível escolher “o melhor modelo do mercado” ou, até mesmo, seria possível formar metas a serem atingidas num futuro próximo pelos vários modelos comercializados no país. Reconhece-se que, sob uma visão política, mesmo sendo de caráter voluntário, pode ser inaceitável a implantação de um programa de rotulagem ambiental que venha aprovar, com seus critérios e níveis de exigências, apenas um modelo e/ou marca entre todos os analisados. Todavia, através de uma recente notícia1 dada por um representante da BSH CONTINENTAL, o engenheiro Daniel André Malandrin, poder-se-á sanar, em um futuro próximo, os problemas de aceitação do programa proposto no âmbito político. A ótima notícia que se aplica a este trabalho é sobre o acordo firmado na Associação Nacional de Fabricantes de Produtos Eletroeletrônicos (ELETROS). Esse acordo dispõe que todos os fabricantes de refrigeradores no Brasil adaptarão seus processos produtivos para a utilização dos novos gases refrigerante (isobutano) e de expansão de espumas (ciclo/isopentano) em seus refrigeradores. Sendo assim, o gargalo atual da metodologia proposta neste trabalho, que são os gases utilizados nos refrigeradores, será sanado em curto prazo, viabilizando o desenvolvimento imediato e a implantação do Programa de Rotulagem Ambiental brasileiro para refrigeradores. 193

Diante da recente notícia, decidiu-se realizar uma segunda simulação usandose a hipótese de que todos os refrigeradores na categoria “A” do selo PROCEL/ INMETRO já estariam utilizando os gases isobutano (R-600a) e o ciclo/isopentano. Essa simulação teve o intuito de verificar o comportamento da metodologia proposta e sua sensibilidade mediante as escolhas políticas e compromissos assumidos pelo setor industrial de eletrodomésticos. A Tabela 2 ilustra os resultados da concessão do rótulo ambiental brasileiro caso a indústria de refrigeradores já estivesse adaptada às novas tendências do mercado. Tabela 2 – simulação comparando resultados das exigências Brasil, EUA e UE diante o recente acordo firmado pela ELETROS

Proposta Brasil

Análise

AICR=+20% (Implantação)

Green Seal atual (EUA)

Ecolabel atual (UE)

A+20%

A+24%

A++45%

Consolidado sem CCV

Critério 1ºa – SEE (“A”)

Critério 1ºb – ICR

Critério 2º – TGR (PAG ≤ 15)

Critério 3º - TGAE (PAG ≤ 15)

Critério 4º - CCV (-18%)

Não analisado/falta de dados

Consolidado com CCV

Não analisado/falta de dados

Com a realização da nova simulação, ilustrada na Tabela 2, constatou-se como as decisões políticas são importantes para o desenvolvimento e sucesso de programas, como, por exemplo, os de rotulagem ambiental. Todos, governo, fabricantes, população e meio ambiente, se beneficiariam diretamente com a nova geração de refrigeradores com maior desempenho energético, alta qualidade ambiental e com custos-benefícios atrativos. Na simulação anterior (Tabela 1), que representa o atual patamar da indústria de refrigeradores no país, apenas três refrigeradores seriam contemplados com o rótulo ambiental. Com a nova simulação, em que se inseriu o acordo firmado da troca dos gases refrigerantes e de expansão de espumas, o número de refrigeradores contemplados saltaria para 26 modelos. Considerando a análise consolidada com CCV, o número cairia para 20 modelos, porém, ainda, superaria em muitas vezes o resultado da primeira simulação. E, quando se elevou o nível de exigência do ICR de 20% para 45% e, ainda, considerou-se o consolidado com CCV, foram contemplados com rótulo ambiental 19 modelos de refrigeradores. Esses resultados demonstraram que o atual problema 194

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de vários modelos de refrigeradores no Brasil, na visão da metodologia proposta, não é o desempenho energético, nem o custo ao longo do ciclo de vida. O problema principal, que gera o maior passivo ambiental com o uso de refrigeradores, está no tipo de gases utilizados em seus atuais sistemas de refrigeração e na expansão das espumas isolantes.

3.2 Ganhos Globais: cálculo das possíveis economias alcançadas com a simulação da substituição de 10 milhões de refrigeradores antigos no país Finalizando a simulação da metodologia proposta, a segunda parte, “Ganhos Globais”, está ilustrada na Tabela 3, de forma agrupada, com os valores totais alcançados com a hipótese da substituição de 10 milhões de refrigeradores antigos existentes nas residências brasileiras. Tabela 3 – Consolidação dos Resultados Encontrados com a Simulação da Metodologia num Caso Real Casos analisados Ganhos encontrados com a simulação da implantação da “bolsageladeira” (resultados acumulados em 2020, um ano após o término da substituição dos refrigeradores)

Substituição em 10 anos (2019)

Economia de energia (acumulada)

7,0 TWh

Potência média evitada (acumulada)

2,0 GWmédio

Economia na fatura de energia elétrica

R$ 3,29 bilhões

Redução de emissões de CO2 decorrentes da economia de energia elétrica

0,4 MtCO2

Não emissões de CO2 decorrentes da captura do gás refrigerante e de expansão de espumas

12,3 MtCO2

MDL decorrente da economia de energia elétrica

R$ 18,18 milhões

MDL decorrente da captura do gás refrigerante e de expansão de espumas

R$ 600,00 milhões

As economias encontradas (Tabela 3) demonstram claramente o grande potencial existente, tanto energético, quanto ambiental e econômico, quando da implantação do programa de rotulagem ambiental para refrigeradores e da substituição de 10 milhões de refrigeradores antigos por modelos de refrigeradores com rótulo ambiental.

195

4 CONCLUSÕES O objetivo principal deste trabalho foi cumprido pelo fato de a metodologia, com formato original e atual, ter sido capaz de identificar, classificar e selecionar os melhores refrigeradores no quesito ambiental e socioeconômico para a concessão da licença de uso do rótulo ambiental brasileiro proposto. Diante do comportamento dos dados coletados e dos resultados alcançados com a simulação da metodologia desenvolvida, que teve o objetivo de validá-la, constatou-se uma grande coerência das simulações da rotina de cálculo. Com a utilização da metodologia do rótulo ambiental brasileiro proposta, observou-se a possibilidade concreta de mitigação dos efeitos ao ambiente, oriundos da demanda de eletricidade e da emissão dos gases refrigerantes e de expansão de espumas na disposição final adequada dos refrigeradores substituídos. Com os resultados quantitativos alcançados, que evidenciam o grande potencial de aquecimento global dos gases utilizados nos refrigeradores (inclusive muito superior ao impacto causado pelo consumo de energia dos aparelhos), confirmou-se a importância do uso dos conceitos do ciclo de vida do produto no Programa de Rotulagem Ambiental. Numa visão geral, os resultados encontrados evidenciaram o grau evolutivo da indústria de refrigeradores nacional. A qualidade apresentada dos produtos, tanto técnica quanto ambiental, mostrou que o setor vem se preparando para as novas exigências do mercado em função das mudanças climáticas e da necessidade de se produzir e consumir de forma mais sustentável. Reconhece-se que é preciso dar tempo para a adaptação a partir da implantação do Programa de Rotulagem Ambiental brasileiro para o setor de refrigeradores no Brasil. Porém, diante da notícia de que a ELETROS firmou um acordo com todos os fabricantes de refrigeradores para a utilização dos gases refrigerantes e de expansão de espumas apontados neste trabalho, prospecta-se que o tempo de adaptação possa ocorrer de forma gradual e em curto prazo. Considera-se, então, que o momento apresenta uma oportunidade ímpar para dar o “pontapé inicial” na discussão da necessidade da criação e implantação do Programa de Rotulagem Ambiental brasileiro para refrigeradores residenciais. Portanto, o desenvolvimento desta tese, que propõe uma metodologia de rotulagem ambiental para o Brasil, possibilitou constatar a grande necessidade de se olhar com mais cautela o produto “refrigerador”, que é um item essencial nos lares brasileiros e no mundo. Deve-se atentar para a necessidade de estruturação de uma indústria e de processos produtivos focados na sustentabilidade ambiental e socioeconômica. Precisa-se, também, olhar para a necessidade de desenvolvimento de novas tecnologias com custo-benefício considerável para o 196

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consumidor e, ao mesmo tempo, menos impactantes para o meio ambiente. Isso é possível dentro do conceito de melhoria contínua e de Design For Environment. Deve-se olhar com extrema importância para a necessidade de criação de políticas públicas que busquem incentivar e/ou regulamentar sistemas de coleta e de manufatura reversa dos refrigeradores inutilizados pelo consumidor final. E deve-se olhar para a necessidade de investimentos na criação de campanhas educativas que divulguem a importância da formação e disseminação de cultura ambiental e da própria rotulagem ambiental para a sociedade, o que inclui governo, indústria e consumidores. Dessa forma, vislumbra-se que a metodologia desenvolvida e proposta neste estudo possa ser utilizada como auxílio aos planejadores e/ou tomadores de decisão no tocante à realização de planejamentos estratégicos tanto para o governo, no auxílio à formação de políticas públicas, quanto para as linhas de pesquisas na indústria de refrigeradores, em benefício da sociedade em geral.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRASIL. Ministério de Minas e Energia. BEN – Balanço Energético Nacional: ano-base 2007. 2008. BRASIL. Ministério do Meio Ambiente. Fatores de Conversão do PDO e PAG. http://www.mma.gov.br/sitio/index.php?ido=conteudo.monta&idEstrutura=130 &idConteudo=8436&idMenu=8973, 4 mar. 2009. ELETROBRAS/PROCEL. Avaliação do mercado de eficiência energética no Brasil: pesquisa de posses de equipamentos e hábitos de uso: ano-base 2005. Classe Residencial – Relatório Brasil, Elaboração Eletrobrás/Procel, Rio de Janeiro, jul. 2007. GEN – GLOBAL ECOLABELLING NETWORK. http://www.gen.gr.jp/members. html, 13 maio 2008. INMETRO – INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. http://www.inmetro.gov.br/qualidade/cerflor_ empresas.asp. 3 jun. 2009. INMETRO – INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. Tabela de Refrigeradores. ENCE – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia Elétrica. Atualização 4 jul. 2008. 197

MELO, CA; JANNUZZI, GM. O estoque de refrigeradores no Brasil: diferenças e semelhanças regionais por faixa de renda. Revista Espaço Energia, n. 8, p. 2027, abr. 2008. SILVA Jr., HX. Aplicação das metodologias de análise estatística e de análise do custo do ciclo de vida (ACCV) para o estabelecimento de padrões de eficiência energética: refrigeradores brasileiros. Mestrado em Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2005. TURIEL, I. Present status of residential appliance energy efficiency Standards: an international review. Energy and Building, Elsevier Sciences, v. 26, n. 1, p. 5-15, 1997. WIEL, S; MCMAHON, JE. Energy: efficiency label and standards: a guidebook for appliances, equipments and lights. 2nd ed. Collaborative Labeling and Appliance Standards Program (CLASP), Washington, D.C., Feb. 2005.

NOTAS 1 A constante (CTE) é obtida através do tipo do refrigerador ou freezer: refrigerador de 1 porta => CTE = 1,42; refrigerador combinado (mais de 1 porta) e freezer => CTE = 1,62. Para mais detalhes, consultar TURIEL (1997). 2 Informação pessoal repassada no dia 20 jul. 2009, durante a defesa deste trabalho de tese.

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>>> GERAÇÃO DE BIOGÁS E ENERGIA EM ATERRO EXPERIMENTAL DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS Manfred Georg Kratzenberg

RESUMO O presente trabalho apresenta dois diferentes métodos utilizados para a qualificação de sistemas de aquecimento solar através da caracterização do seu desempenho a partir de uma simulação. O método INMETRO é comparado com outro método padronizado pela norma ISO 9459-4. Neste segundo método uma simulação permite prever a economia da energia elétrica e a fração de utilização da energia solar antes que um sistema de aquecimento solar seja instalado em determinado local. A simulação é baseada nas características climáticas do local de instalação. A redução da corrente de pico do sistema elétrico e o tratamento térmico para extinção da bactéria Legionella são obtidos adicionalmente através da simulação. Em um estudo de caso são comparados três sistemas de aquecimento solar utilizando coletores distintos. O comportamento do sistema é acessado através de uma simulação considerando a sua instalação em distintas regiões climáticas no Brasil. É demonstrado como um coletor pode melhorar o desempenho do sistema a partir de uma medida simples, o melhoramento do seu isolamento térmico. Nos primeiros dois sistemas, é utilizado um coletor com características de construção mais utilizadas mundialmente e também no Brasil; e no segundo, é utilizado um dispositivo chamado coletor solar de garrafa PET, recentemente utilizado Brasil. A importância da qualificação para os consumidores e para os fabricantes de sistemas é iluminada. PALAVRAS-CHAVE: Sistemas de aquecimento solar. Qualificação. Simulação.

ABSTRACT In the present work two different methods are presented comparing the qualification of domestic hot water systems – DHWS utilizing the simulation of its performance. The method adopted of the INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial is compared with another method standardized by ISO9459-4. With the second method a simulation is predicting the reduction 199

of the electric power consumption and the solar fraction of the DHWS, before the system is installed at a determined location. The simulation is based on the specific climatic conditions of the chosen installation location. The reduction of the peak power of the electric power supply system and the extinction of the bacteria Legionella by thermal treatment are obtained as additional results of the simulation. In a case study three DHWS which are only distinct by the utilization of different solar collectors are compared. The characteristics of its operation are simulated for the installation at different installation locations in Brazil. It is demonstrated how a collector can improve its power conversion by a simple method, the improvement of its thermal insulation. For the first two systems is used a flat plate collector, the collector type at present most utilized all over the world as well as in Brazil. For the third system an dispositive denominated as solar collector constructed based on recycled PET bottles, recently utilized in Brazil is used for the simulation. The importance of the qualification for the consumers and the industrial sector is illuminated. KEYWORDS: Domestic hot water systems. Qualification. Simulation.

1 INTRODUÇÃO Na geração de calor os sistemas de aquecimento solar variam o seu desempenho térmico ao longo do ano e em diferentes locais de instalação, em decorrência de diferentes condições climáticas e, mais especificamente, da radiação solar e da temperatura ambiente. A variação decorre do comportamento térmico do coletor, quando este é sujeito às diferentes condições climáticas. É desejável acessar essa variação sem ser necessário fazer ensaios ao longo do ano e em locais com distintas condições climáticos. O desempenho do sistema completo de aquecimento solar pode ser ensaiado com um método de ensaio simplificado sob condições de ambiente externe (ISO/DIS 9459-2). Neste ensaio é caracterizado matematicamente o comportamento de desempenho térmico do sistema, composto de coletor e reservatório. Utilizando o modelo matemático obtido do ensaio, pode ser acessado o desempenho térmico do sistema ao longo do ano e para diferentes locais de instalação mediante uma simulação (ISO/DIS 9459-2). Outro método, de menor incerteza, utiliza o modelo matemático do coletor, os dados climáticos do local de instalação e o perfil de consumo separadamente para a simulação (ISO/DIS 9459-4). Esta simulação tem a vantagem de escolher a configuração do sistema sem restrições. O comportamento de desempenho térmico do coletor solar é caracterizado a partir dos resultados de um ensaio térmico com o coletor, no qual os parâmetros do seu modelo matemático são obtidos (EN 12975, ISO 9806). No presente trabalho dois modelos de coletores com absorvedor de cobre e um coletor PET são utilizados para 200

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comparar dois distintos métodos de simulação de desempenho térmico do coletor. O objetivo é a visualização das diferenças, obtidas com o método utilizado em INMETRO (2007) e um método de simulação à base da norma ISO/DIS 9459-4. Como objetivo secundário, as diferenças entre os diferentes coletores são discutidas.

2 SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR Coletores solares são dispositivos que devem converter com alta eficiência a energia radiante solar em calor, para um processo que possua uma temperatura desejada. Um sistema de aquecimento solar para uso doméstico é constituído principalmente de dois componentes, um coletor solar e um reservatório. O coletor aquece a água contida nele através do sol, e o reservatório armazena a água aquecida pelo coletor a uma temperatura de até aproximadamente 90ºC. Essa temperatura permite a maior conservação de calor por unidade de volume do reservatório, e a temperatura de banho de aproximadamente 40ºC é obtida por meio de um misturador. Com uma bomba ou pelo efeito de termossifão, a água aquecida é transportada para o reservatório. Na utilização de uma bomba, um controlador liga a bomba quando a água do coletor tem uma temperatura de aproximadamente 2 K acima do reservatório. A maioria dos sistemas instalados no Brasil aproveita o efeito de termossifão, dispensando a necessidade da bomba e do controlador. A potência térmica que um coletor converte é função de, principalmente, quatro fenômenos: a intensidade da radiação solar; a transmissão da radiação pela cobertura transparente; a conversão da radiação pelo absorvedor do coletor solar; e a perda de calor do absorvedor para o ambiente. Em um sistema de aquecimento solar aparecem perdas térmicas adicionais no reservatório de água quente e nas tubulações que conectam o coletor ao reservatório. Os isolamentos térmicos do coletor, do reservatório e das tubulações evitam as perdas de calor para o ambiente.

3 QUALIFICAÇÃO DE COLETORES SOLARES Em função da construção de um coletor solar, pode-se obter melhores ou piores características ópticas e térmicas. Na pior configuração do coletor, este consegue somente converter uma parte pequena da radiação solar para aquecer a água nas suas tubulações. Essa falta de conversão de calor pode decorrer da opacidade da cobertura, da falta do contato térmico entre a superfície de absorção e as tubulações do coletor e de um isolamento térmico insuficiente entre absorvedor e o ambiente. Pode ocorrer que o fluido não seja aquecido acima da temperatura do 201

reservatório, e assim a energia convertida pelo absorvedor do coletor não possa ser armazenada no reservatório. Coletores de alto desempenho podem ser utilizados mesmo em regiões climáticas consideradas como frias para converter a energia solar e armazená-la em um reservatório. É imprescindível quantificar para cada modelo de coletor fabricado a conversão da radiação solar em calor. Para um modelo de coletor, essa conversão é distinta para cada local de instalação. A eficiência térmica do coletor obtém-se através dos resultados do seu ensaio térmico, no qual o seu comportamento é caracterizado. O processo desse ensaio e também os processos para verificar a resistência mecânica dos coletores são especificados em normas. Existem dois tipos de ensaios: o ensaio em regime permanente (EN 12975, ISO 9806, ABNT CB55, ABNT 10184 e ASHRAE 93); e o ensaio em regime quase dinâmico (EN 12975). O ensaio em regime quase dinâmico foi normalizado recentemente, no ano de 1997, e tem a vantagem de caracterizar o coletor com um modelo mais completo. Esse ensaio é capaz de especificar melhor o comportamento do coletor em função das mais variadas condições da radiação solar (Kratzenberg, 2005). Também não necessita em todos os dias céu sem nuvens, como o ensaio em regime permanente. Quando os modelos dos dois distintos ensaios são utilizados para a simulação do desempenho térmico do coletor, convertem uma energia térmica que não difere estatisticamente (Kratzenberg e Colle, 2007).

3.1 Curva padronizada de eficiência de coletores O principal resultado dos ensaios de coletores solares é a curva padronizada de eficiência de coletores (Figura 1) e o seu modelo matemático (Equação 1). No presente exemplo de simulação, são comparados três distintos coletores: um coletor com camada seletiva no absorvedor (ηcs); um coletor cujo absorvedor é pintado com uma tinta seletiva (ηcs); e um coletor denominado como coletor de garrafa PET (ηPET) (Figura 1).

Figura 1 – Curva padronizada de eficiência para três diferentes coletores: ηcs – coletor de maior eficiência, que utiliza uma camada seletiva no seu absorvedor; ηb – coletor com eficiência média, utilizado por um fabricante no Brasil; ηPET – coletor PET, de menor eficiência

202

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η = η 0 + k1 ∆T / G

(1)

onde η [sem unidade] é a eficiência do coletor; e η0 determina a eficiência quando a temperatura média do coletor é igual à temperatura ambiente. Nesse caso, o coletor não tem perdas térmicas, e o valor de η corresponde à intersecção com a ordenada (η0) na Figura 1. Coletores com uma camada seletiva depositada no seu absorvedor têm uma eficiência de η0 superior (ITW, 2000). O coeficiente k1 [W/m²K] determina as perdas e corresponde ao gradiente da curva de (ηPET) na Figura 1. A radiação global G [W/m²] é composta da soma da radiação difusa Gd e direta Gb, e ∆T representa a diferença entre a temperatura do coletor e a temperatura ambiente. Coletores com um melhor isolamento térmico podem converter a energia solar em calor com temperaturas maiores. Nesses coletores aparecem, além da condução de calor, efeitos de convecção e da radiação térmica em maior proporção. Tais efeitos geram uma variação no gradiente da curva padronizada (ηcs e ηts da Figura 1) e são aproximados com o terceiro termo da Equação 2:

η = η0 + k1 ∆T / G + k 2 ∆T 2 / G

(2)

onde k2 [W/m²K²] é o coeficiente de um polinômio, utilizado para a aproximação dos efeitos da convecção e da radiação; e k2 é determinado através do teste de significância estatística, aplicado na hora da obtenção do modelo de coletor através da avaliação das medições do ensaio térmico. A curva padronizada consolida de forma resumida todos os processos ópticos e térmicos do coletor solar. O modelo matemático dessa curva (Equações 1 e 2) pode ser utilizado em uma simulação para quantificar a energia convertida. Existem dois tipos de modelos utilizados. Enquanto no primeiro tipo é utilizada a temperatura média Tm (EN 12975, Duffie e Beckmann, 1991) do coletor em relação à temperatura ambiente para calcular ∆T, no segundo é utilizada a temperatura de entrada Te (ASHARE 1986, Duffie e Beckmann, 1991). A temperatura Te é próxima à temperatura Tm e representa uma simplificação do modelo, que tem a vantagem de que programas que utilizam modelos matemáticos mais simples podem ser utilizados para a simulação do sistema de aquecimento. Para um modelo que considera apenas perdas térmicas lineares (Equação 1), os coeficientes η0(Te) e k1(Te) disponibilizados através do ensaio podem se convertidos em η0(Tm) e k1(Tm) (Duffie e Beckmann, 1991). Outro método de conversão necessita as medições do ensaio e pode incluir também o coeficiente k3. Neste método, as variáveis de regressão ∆T e ∆T2 são calculadas em uma primeira regressão, com Tm – Ta, e em uma segunda, com Te – Ta. Se a radiação é dividida nos dois lados das Equações 1 e 2, obtêm-se as Equações 3 e 4, que determinam a potência térmica do coletor.

203

(3)

(4)

No presente artigo é utilizado o ensaio quase dinâmico QDT (EN 12975), que permite discernir a sensibilidade do coletor a efeitos da radiação difusa Gd e direta Gb, e é assim um modelo mais completo do coletor em comparação com o modelo em regime permanente (Equações 5 e 6).

(5)

(6)

onde θ é o ângulo de incidência de Gb em relação à normal da superfície do coletor. Com b0 calcula-se a potência Q& b 2 , obtendo maiores perdas de reflexão para maiores ângulos de θ. O coeficiente Kθd acessa a conversão que decorre especificamente da radiação difusa Q& d e, com K1 e K2, acessam-se as perdas térmicas do coletor.

4 METODOLOGIA – QUALIFICAÇÃO A PARTIR DA SIMULAÇÃO Principalmente pela limitação do seu isolamento térmico, a eficiência do coletor solar pode variar bastante se é exposto a distintas condições climáticas. Se, por exemplo, o coletor tem um isolamento térmico não suficiente, representado por coeficientes k1 e k2 altos, ele perde mais calor em regiões climáticas com baixas temperaturas ambientes. Também perde mais calor no inverno do que no verão. Necessita-se realizar uma simulação para saber do comportamento do coletor e da sua conversão de energia ao longo do ano. A simulação permite quantificar a energia convertida pelo coletor na região onde é instalado. Para a simulação são utilizados os coeficientes do seu modelo matemático das Equações 204

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5 e 6. Como exemplos de simulação são utilizados três diferentes modelos de coletores solares. Dois foram obtidos por meio de ensaios quase dinâmicos em uma bancada que segue o padrão estabilizado pela norma EN 12975. A bancada foi financiada com recursos do Programa de Eficiência Energética das Centrais Elétricas de Santa Catarina (CELESC). Utilizando os modelos obtidos de ensaios, simula-se a conversão de energia solar de distintos coletores para locais com distintas situações climáticas no Brasil. Para a simulação são utilizados: a) modelo matemático do coletor; b) os dados da radiação solar G, Gd e Gb e da temperatura ambiente Ta; e c) o perfil de consumo de água aquecida. O resultado da simulação representa uma informação importante para o dono de casa e para os projetistas de sistemas de aquecimento solar e pode ser utilizado para calcular o tempo do retorno de investimento (Duffie e Beckman, 1991). Também é utilizado para verificar se um modelo de coletor cumpre a especificação mínima em termos de energia anualmente convertida. Na Alemanha, por exemplo, um coletor deve converter no mínimo 525 kWh/m² (na média 43,75 kWh/m².mês) em um ano, tendo o sistema uma fração solar superior a 0,4 para que seja subsidiado por um programa governamental.1 O resultado da simulação acessa também a economia de energia elétrica obtida através do aquecimento solar. Essa informação é importante não só para o consumidor, mas também para as concessionárias de energia elétrica. O resultado da simulação pode representar também um forte argumento na seleção de um coletor na hora da aquisição de um sistema de aquecimento solar. É possível acessar a redução do gás carbônico com o objetivo de obter subsídios de aproximadamente 10% do valor do sistema por meio de créditos de carbono (DASOL – Departamento Nacional de Aquecimento Solar da ABRAVA).

4.1 Ano com condições meteorológicos típicas As radiações difusa Gd, direta Gb e global G na superfície horizontal e a temperatura ambiente Ta que, tipicamente ou com maior probabilidade, aparecem em uma região climática compõem um ano típico de dados climáticos, denominado, em inglês, TMY (typical meteorologic year). A partir de observações meteorológicas durante vários anos, são selecionados os meses mais representativos de anos distintos para se compor um TMY. Por exemplo, é selecionado o mês de janeiro, cujo comportamento é mais representativo para a média de janeiros obtidos de observações de 30 anos. A seleção é realizada através de um método padronizado (NREL, 1996). O TMY pode ser considerado como representativo para uma região de menor extensão com características de clima semelhante, mesmo que as 205

observações meteorológicas somente foram obtidas por meio de um único local. O clima da Alemanha, por exemplo, é caracterizado na avaliação dos resultados de ensaio térmico de coletores a partir de três TMY (IWT, 2002), representando assim três regiões climáticas de menor extensão. Como o clima na extensão do Brasil apresenta maiores variações que na Alemanha, a simulação para diferentes regiões climáticas é ainda de maior importância. Os TMY utilizados no presente trabalho são constituídos a partir de observações de 30 anos.1 As radiações Gd e Gb de âmbito horizontal são convertidas para a inclinação do coletor orientado para o norte com o modelo de HDKR (Duffi e Beckmann, 1991).

4.2 Perfil de consumo O perfil de consumo de energia para o banho pode ser distinto em diferentes países, depende do hábito de banho e é uma função da vazão, temperatura e duração do banho. Também depende da temperatura da água da rede de distribuição Taf. Esta é calculada a partir da temperatura do ambiente, utilizando-se o modelo do TRNSYS – Type 77 (SEL, 2006). É utilizada uma difusividade térmica do solo α = 3,244 x 10-3 m²/h, que é utilizada no TRNSY como valor default e é calculada com a condutividade térmica k [kJ/hmK] dividida pela densidade ρ [kg/m³] e o calor específico cp [kJ/kgK] do solo. Na presente simulação, é utilizado um perfil m& médio de vazão de água b [kg/h] para o banho, que foi elaborado a partir de 60 residências populares, com média de 50 kg/dia.pessoa para uma casa popular com três pessoas em Florianópolis (Salazar, 2004). A temperatura de banho Tb é considerada como 40 ºC. A potência térmica do consumo de água aquecida é calculada como se segue: (7) onde cp [J/kg K] é o calor específico da água. Se a temperatura do reservatório Tr é inferior que Tb, necessita-se do pós-aquecimento elétrico com um chuveiro de ajuste proporcional de potência. A potência elétrica Pch desse chuveiro é calculada como se segue:

(8)

A redução média da demanda na ponta RDP [W] para o horário entre 18 e 21 horas é calculada como se segue:

onde n = 1.095, a soma de horas no horário da ponta durante um ano. 206

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(9)

4.3 Etiqueta de coletores INMETRO Atualmente, é adotado no Brasil um método do INMETRO para qualificar coletores de aquecimento solar. Para a qualificação da eficiência, é utilizado um único ponto da curva de eficiência para aproximar, através de um cálculo, a energia que o coletor converte (INMETRO, 2007). Para o cálculo da energia são utilizadas a temperatura ambiente e a radiação solar de um dia denominado dia padrão. Esse método é baseado em um método utilizado pelo Florida Energy Center (FSEC). A norma ISO/DIS 9459-5 recomenda a utilização de um dia padrão apenas para o uso em cálculos estimativos de energia sob consideração de um único local geográfico. Portanto, se o método INMETRO (2007) é aplicado para o Brasil inteiro, as incertezas desse método devem ser altas em relação à simulação, o que decorre das altas variações climáticas em distintos locais de instalação. Para tomar conhecimento sobre essas incertezas, o método INMETRO (2007) é comparado com o método da simulação. Os dois métodos foram implementados por um cálculo de planilha no programa ExcelTM. Em comparação com o TRNSYS (SEL, 2006), a simulação na planilha tem a vantagem de necessitar um tempo de simulação desprezível, mas pode ser aplicada apenas para sistemas de circulação forçada. A desvantagem consiste na utilização de um modelo simples que não considera a estratificação no reservatório.

5 COLETORES UTILIZADOS PARA A SIMULAÇÃO Para a simulação de desempenho, são utilizados dois modelos de coletor que têm um absorvedor de cobre, isolamento térmico e cobertura transparente de vidro. Para fins de comparação, é utilizado o dispositivo popularmente denominado como coletor de garrafa PET.

5.1 Coletores planos com absorvedor de cobre e cobertura de vidro Coletores solares cujo absorvedor é construído a partir de metais com menor degradação, como cobre e alumínio, são mundialmente conhecidos (SPF, 2002) e, no Brasil (PROCEL, 2009), são os modelos mais utilizados para o aquecimento de água para banho no setor residencial. Podem ser considerados com um padrão na conversão da energia solar. A cobertura desses coletores é constituída de um vidro de alta transparência. Em função dos materiais utilizados, esses coletores possuem uma degradação da sua eficiência desprezível, o que possibilita a con207

versão da energia solar durante uma vida útil entre 10 e 30 anos (Duffie e Beckmann, 1991). É utilizado um modelo de coletor de uma empresa alemã (SPF, 2002), e outro modelo de uma empresa do Brasil (ITW, 2002).

5.2 Coletores de plástico No aquecimento de piscinas, aparecem temperaturas abaixo de aproximadamente 26-28 ºC na entrada do coletor (INMETRO, 2007). Coletores de plástico sem cobertura são apenas sujeitos à degradação em decorrência da radiação solar, e não são sujeitos a efeitos de termodegradação nessa temperatura. Esses coletores utilizam absorvedores de plástico, nos quais uma pigmentação é inserida na sua fundição, que estabiliza o material, reduzindo os efeitos de degradação a partir da radiação solar. Devido ao seu baixo custo, coletores de plástico são utilizados em vários países para aquecimento de piscinas (Weiss, 2008).

Coletor PET Recentemente, no Brasil, tem-se utilizado um dispositivo denominado coletor de garrafa PET para uso em banho. Ele é construído com garrafas recicladas de PET (politereftalato de etileno) e tubos de PVC (cloreto de polivinila). Esses coletores são sujeitos à degradação da cobertura PET decorrente da radiação solar. A degradação da tubulação pode aparecer em decorrência de efeitos da temperatura e da radiação solar. Köhl et al. (2005) observaram uma degradação com o aumento da opacidade de diferentes materiais de plástico PET com a exposição ao sol. Dessa forma, os autores desqualificam o uso do material PET para a aplicação em coberturas de coletores de aquecimento solar. Como, no Brasil, os coletores PET são utilizadas em maior escala,1 é importante saber sobre a eficiência desses coletores antes e depois dos efeitos da sua degradação. Randemberg Gomes dos Santos (2007) construiu diferentes coletores de garrafa PET e, em um estudo comparativo, observou pequenas variações na conversão de calor utilizando esses coletores. A construção de um coletor PET foi realizada por alunos do grupo PET – MA – Programa de Educação Tutorial em Metrologia, seguindo um manual de configuração (Alano, 200-). No laboratório LABSOLAR do LEPTEN, o ensaio térmico desse coletor (PET, 2009) foi realizado pelos alunos sob acompanhamento do autor deste artigo.

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6 CONFIGURAÇÕES PARA SIMULAÇÃO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR Para a simulação, foram utilizadas configurações semelhantes às do sistema de termossifão que foi otimizado em Salazar (2004). Aqui é utilizado um sistema com circulação forçada cuja extensão não é limitada: a) Temperatura de água da rede de abastecimento, como calculada em TRNSYS, TYPE 77 b) Perfil de vazão mássica para o banho, como elaborado em Salazar (2004)) c) Coeficientes do coletor PET: η0 = 0,245 , k1 = 6,71; b0 = – 0,179 (PET, 2009) d) Coeficientes do coletor com pintura seletiva: η0 = 0,655, k1 = 5,415, k2 =0,045, b0 = -0,14 (Kratzenberg, 2005)) e) Coeficientes do coletor com camada seletiva: η0 = 0,826, k1 = 3,246 , k2 = 0,011, b0 = -0,14 [ ] (ITW, 2000) f) Isolamento térmico da tubulação, como especificado em Salazar (2004) g) Inclinação do coletor β = -φ + 10°, como em Salazar (2004), onde φ é o ângulo de latitude Reservatório a) Volume: V = 100 L b) Razão A/V [m²/100 L] = 1,5 (Salazar, 2004) c) Razão /V [kg/dia.L] = 1,5 (para três pessoas) d) Isolamento térmico, como especificado em Salazar (2004) e) Estratificação, considerada distribuição homogênea de temperatura f) Temperatura máxima do reservatório: 90 ºC g) Potência da resistência para o caso de preaquecimento: 2.000 W h) Horário do preaquecimento: da uma às cinco horas da madrugada i) Temperatura na qual a resistência liga: 58 ºC j) Temperatura na qual a resistência desliga: 62 ºC A fração solar de um sistema de aquecimento solar FSs é definida como se segue FSs = (Qb – Qe) / Qb = Qs / Qb

(10)

onde a energia elétrica auxiliar Qe é a soma da energia do chuveiro elétrico QCh e da resistência elétrica no reservatório QR. Coletores com isolamento térmico insuficiente perdem relativamente muito calor em proporção ao calor que convertem pelo absorvedor.

209

6.1 Bactéria Legionella A bactéria Legionella foi isolada primeiramente em 1977 em um surto de pneumonia ocorrido no ano anterior, na convenção da Legião Americana (Stetzenbach e Buttner, 2000 apud Viera, 2005). A enfermidade que as bactérias causam é também conhecida como Doença do Legionário. Essas bactérias podem colonizar os sistemas artificiais de abastecimento de água, favoravelmente se multiplicam na água estagnada a uma temperatura de 20 ºC a 43 ºC e podem provocar pneumonia (Viera, 2007). Podem aparecer em caixas de água em residências e nos reservatórios de sistemas de aquecimento solar. Através da vaporização da água no banho, as bactérias Legionella podem entrar nas vias respiratórias. A extinção dessas bactérias pode ser realizada através de um tratamento térmico da água. O tempo de sobrevivência dessas bactérias é de 8 s a 60 ºC, 3 min a 60 ºC e 2 h a 50 ºC (Viera, 2007). Para garantir a extinção desses micro-organismos, existem normas em diferentes países (IEA, 2001), nas quais é manifestado que o reservatório dos sistemas de aquecimento solar deve ser aquecido pelo menos uma vez por dia acima de 60 ºC, seja pelo aquecimento solar, seja pelo aquecimento elétrico. Uma das simulações é realizada sem aquecimento no reservatório e, em outra, é utilizada a temperatura de 60 ºC para o ajuste do controle termostático da resistência. A simulação do coletor PET é feita sem resistência térmica no reservatório, conforme Salazar (2004) e Alano et al. (200-).

6.2 Sistema elétrico O chuveiro elétrico é o consumidor de maior potência na área residencial. A sua potência de 4 a 8 kW causa nesse sistema uma corrente 100 a 200 vezes maior que a da mais utilizada lâmpada fluorescente tubular, a de 40 W. A carga maior decorrente dos chuveiros aparece no horário da ponta, entre 18 e 21 horas (Salazar, 2004). Na presente simulação, o reservatório é aquecido a 60 ºC através de uma resistência elétrica com uma potência de 1.000 W durante 1 h a 5 h. Assim, o primeiro consumo durante o horário da manhã reduz a temperatura do reservatório, proporcionando uma maior fração de uso do coletor e fração solar. Se o aquecimento pelo sol durante o dia não é suficiente para elevar a temperatura do reservatório acima da temperatura do banho de 40 ºC, necessita-se de um pós-aquecimento (Equação 8), que é utilizado nos dois tipos de simulação.

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7 RESULTADOS A Tabela 1 mostra os resultados da simulação. Nas linhas 1 a 6, o reservatório é pré-aquecido durante a madrugada, durante um intervalo fixo entre 1 h e 4 h; nas linhas 7 a 12, não há resistência no reservatório de água. A coluna pico_max [W] mostra a potência consumida no horário da ponta, e RDP [%] documenta a média anual da redução do pico da demanda.

Fração solar

N° de dias com T > 60°C

energia solar convertida [Wh/m²/mês]

Conversão IMETRO [Wh/m²/mês]

Conversão com dia padrão [Wh/m²/mês]

-355,39 92,99

0,47

256

51,87

113,48

111,72

Florianópolis

-394,21 80,84

0,18

141

26,29

82,78

80,50

Florianópolis

-402,87 51,08 -0,23

-4,80

16,55

13,89

Fortaleza

0,00

99,72

0,97

365

65,76

113,48

111,72

Fortaleza

-34,14

93,71

0,73

344

49,59

82,78

80,50

Fortaleza

-148,67 93,46 -0,18

-9,82

16,55

13,89

Florianópolis

-433,85 59,60

0,65

165

102,20

113,48

111,72

Florianópolis

-433,85 44,57

0,53

102,20

82,78

80,50

Florianópolis

-433,87

2,08

0,24

102,20

16,55

1,89

Fortaleza

0,00

99,72

1,00

362

67,68

113,48

111,72

Fortaleza

-164,84 98,64

0,97

277

67,68

82,78

80,50

Fortaleza

273,87

0,39

67,68

16,55

13,89

RDP [%]

Pico máx. [W]

Coletor

Florianópolis

Data set

n°

Tabela 1 – Resultados da simulação: coletor A: coletor de maior eficiência; coletor B: coletor de maior eficiência média; coletor C: coletor de menor eficiência

22,77

A coluna Nº de dias > 60 ºC especifica em quantos dias ao longo do ano o sistema é aquecido acima de 60 ºC, o que garante a extinção da bactéria Legionella. Nas últimas três colunas, é comparada a conversão de energia solar utilizando-se três diferentes métodos. Nas últimas duas colunas, é utilizado o dia padrão para o cálculo. A coluna conversão INMETRO utiliza a eficiência térmica média (INMETRO, 2007), e a última coluna utiliza o modelo do coletor aplicado aos dados do dia padrão. 211

7.1 Discussão dos resultados A produção mensal da energia convertida pelos coletores é superestimada pela classificação de coletores utilizando o método descrito em INMETRO (2007). A superestimação decorre da utilização do dia padrão, que contempla apenas um local de instalação. O método é também sujeito a incertezas que decorrem da variação das condições climáticas ao longo do ano. A superestimação é mais significante para coletores com baixos isolamentos térmicos quando estes são instalados em locais com temperaturas ambientes menores, como Florianópolis. Além da menor conversão de energia, os coletores de baixa eficiência (coletor C) não conseguem aquecer água no reservatório todos os dias para temperaturas acima de 60 ºC. Se não é utilizada uma resistência elétrica, a bactéria Legionella não pode ser extinta preventivamente. Com o preaquecimento (linhas 3 e 6), a fração solar do PET é negativa, o que significa que o coletor não consegue trabalhar como coletor. Em Fortaleza, a corrente no horário da ponta no sistema elétrico pode ser reduzida por completo utilizando-se o coletor A. Com preaquecimento durante a noite em intervalo fixo, a RDP média de 93% pode ser obtida, com fração solar acima de 0,4, se for utilizado o coletor de maior eficiência. O preaquecimento favorece, em Florianópolis e em Fortaleza, a extinção preventiva da bactéria Legionella se for utilizado o coletor A. Em Fortaleza, a Legionella ainda pode ser extinta com o coletor B durante 277 dias do ano sem o preaquecimento.

8 CONCLUSÕES Simulação A simulação utilizando o TMY, perfil de consumo e modelo de coletor considera condições mais características na utilização dos coletores em sistemas de aquecimento solar. Para alguns locais de instalação no Sul do Brasil, obtêm-se grandes diferenças na conversão da energia solar, comparando-se os resultados da simulação com os resultados obtidos utilizando um dia padrão. Com o objetivo de desenvolver coletores melhores, podem ser explorados dois diferentes métodos. O primeiro método, o mais caro, consiste no melhoramento das características ópticas do coletor (ITW, 2000), aumentando a eficiência η0. Outro método, de menor custo, consiste no melhoramento do isolamento térmico e dos coeficientes k1 e k2. Atualmente, os dois métodos não estão sendo explorados pelos fabricantes no Brasil, e uma razão disso pode ser encontrada no método atualmente utilizado em INMETRO (2007) para a avaliação dos resultados do ensaio térmico. Este 212

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não sensibiliza os fabricantes a melhorar o isolamento térmico dos coletores, porque considera apenas condições climáticas com temperatura ambiente entre 20,3 ºC e 27 ºC durante o dia padrão utilizado. Não considerando temperaturas menores, um bom isolamento térmico não ocasiona o melhoramento na conversão média mensal de energia estipulada. Se o INMETRO adotasse a simulação, poder-se-ia classificar os modelos de coletores especificamente por local de instalação. Nesse caso, aqueles fabricantes que utilizam um isolamento mais espesso nos seus modelos de coletores são adequadamente recompensados pela classificação. Assim, pode-se criar um ambiente propício para otimizar a eficiência dos coletores no mercado brasileiro, através do isolamento térmico dos coletores e também através da eficiência óptica.

Coletores PET Se forem mais eficientes, sem degradação das suas características ópticas, sem efeitos de degradação decorrentes de temperatura, com vida útil e intervalo de manutenção semelhantes aos dos coletores comuns, os coletores de garrafas PET poderão representar uma alternativa para o setor de aquecimento solar. Ainda é necessário realizar o ensaio da resistência mecânica do coletor PET seguindo as normas EN 12975 ou ISO 9806. Uma longa vida útil deve ser sempre colocada na proposta de projetos de aquecimento solar, valorizando, assim, a mão de obra utilizada para a fabricação, instalação e manutenção dos coletores. Possivelmente, o coletor PET exige uma manutenção mais frequente em comparação com coletores construídos de materiais de menor degradação. Pelo aspecto da reciclagem, o coletor construído de cobre e alumínio também possui as características da reutilização das matérias utilizadas para a construção. Se os coletores fabricados pela indústria brasileira obtivessem subsídios, o coletor PET não seria necessário e obter-se-ia um aquecimento solar mais seguro, sem que as pessoas ficassem sujeitas à exposição à bactéria Legionella. Como a maioria dos usuários de sistemas de aquecimento solar não possui conhecimento técnico suficiente para julgar sobre as vantagens e desvantagens dos diferentes sistemas disponíveis no mercado, a utilização de equipamento com menor qualidade pode desvirtuar o conceito popular formado sobre a eficiência de sistemas de energia solar. A eficiência de coletores de cobre ou de alumínio com cobertura de vidro corresponde a um custo maior, se observado apenas o uso de materiais de maior custo para a construção do coletor. Por outro lado, corresponde a um custo menor, considerada a maior conversão de calor por área de coletor. Em relação aos coletores PET, eles podem ser operados em temperaturas acima de 60 ºC, que são necessárias para o tratamento térmico preventivo da bactéria Legionella. 213

A utilização dos sistemas de aquecimento solar tem várias vantagens, entre as quais o aumento da confiabilidade do sistema elétrico pela limitação da corrente máxima. A política de subsídios parciais (Roulleaua, 2008) representa um instrumento importante para encorajar investimentos do setor privado e industrial, proporcionando um ambiente favorável de comércio para o uso dessa tecnologia. A alta qualidade dos coletores e o preço do sistema de aquecimento solar podem e devem ser influenciados diretamente através de subsídios, determinando exigências sobre os ensaios, o desempenho e o preço desse produto.

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NOTAS 1 http://www.oliver-voll.com/igu-rimpar/bundesfoerderung.htm 2 Os TMY para vinte diferentes capitais no Brasil são disponíveis na página http://swera. unep.net. 3 http://portal.celesc.com.br/portal/home/index.php?option=com_content&task=view&i d=183&Itemid=34. 4 Nesta referência do ITW são apenas disponibilizados os coeficientes relativos à temperatura média do coletor. 5 Os resultados das simulações são representativos se apenas o volume V é aumentado para um dimensionamento de um sistema maior, enquanto as razões A/V e /V são mantidas constantes.

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>>> GERENCIAMENTO DE COLETA DOS RESÍDUOS DA CANA-DE-AÇÚCAR PARA GERAÇÃO E VENDA DE ELETRICIDADE Mauro Francisco Chavez Rodriguez

RESUMO Para os anos vindouros prognostica-se uma participação importante da biomassa na matriz energética no mundo. No Brasil, atualmente, a indústria sucroenergética representa um setor de expansão contínua tanto na produção de combustível como na geração de eletricidade. Nesse sentido, a palha, os resíduos de ponta e folhas da cana se apresentam como um recurso a explorar, considerando seu conteúdo energético. Este trabalho utiliza a otimização dinâmica determinística como uma ferramenta para o gerenciamento da coleta da palha picada a granel no campo, com o fim de geração e venda de eletricidade no mercado livre. Dos resultados da simulação conclui-se que o uso da otimização dinâmica determinística resultou numa maximização do lucro, pois a geração baseada na queima na palha é rentável e com grande potencial de redução de custos. Foi feita também uma análise de sensibilidade, observando-se que os fatores de mais influência nos lucros foram o preço de energia e a eficiência da caldeira, sugerindo-se projetar uma caldeira e turbina exclusiva para a palha, para trabalhar a plena carga. PALAVRAS-CHAVE: Palha. Bioeletricidade. Otimização.

ABSTRACT In the years coming it is prospected an important participation of biomass in the energy matrix of the world. In Brazil, currently, sucroenergetic industry represents a continuous expansion sector in the biofuels production as also in electricity generation. In that way the straw, residuals of tops and leaves of sugar cane, represents a resource to be exploited considering it’s energetic content. This work uses deterministic optimization as a tool to assesment the management of the chopped straw harvesting in the field following the generation and selling of electricity in the spot market. From simulation results it can be concluded the use of dynamic deterministic optimization resulted in the maximization of net revenues concluding that electricity generation based in the burnt of sugar cane 217

straw is profitable and with a big potential of costs reduction. It was made also a sensitivity analysis observing that the mostly influential factor in the revenues was the energy price and the boiler efficiency, suggesting projecting a turbine and a boiler exclusive for the straw following a nominal load factor. KEYWORDS: Straw. Bioelectricity. Optimization.

1 INTRODUÇÃO Os sistemas modernos de bioenergia são importantes contribuintes para sistemas energéticos sustentáveis e desenvolvimento sustentável. A biomassa é uma opção atrativa para a mitigação das mudanças climáticas no setor energético porque é relativamente barata e pode ser utilizada para produzir eletricidade, assim como combustíveis líquidos, gasosos e sólidos refinados (Berndes, 2002). Em 2008, a oferta interna de energia (OIE) no Brasil cresceu 5,6%, atingindo 252,2 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (tep). Esse crescimento é da mesma ordem de grandeza da variação do produto interno bruto (PIB) nacional, conforme dados divulgados pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). O consumo de eletricidade, incluindo os montantes atendidos pela autoprodução (geração própria de consumidores), cresceu 4,0%. Nessas condições, a intensidade energética do país, expressa pela relação OIE/PIB, manteve-se estável, em 160 tep/US$, e a intensidade elétrica caiu para 0,316 kWh/US$. A oferta per capita de energia cresceu de 1,261 para 1,314 tep/hab, enquanto o consumo per capita de eletricidade evoluiu de 2.177 para 2.234 kWh/hab. Produtos da cana-de-açúcar (etanol, bagaço, caldo e melaço para fins energéticos) também ampliaram sua fatia na matriz, para 16,4%, crescendo meio ponto percentual em relação a 2007. Com isso, a cana-de-açúcar consolidou a segunda posição entre as principais fontes de energia primária no Brasil, atrás apenas do petróleo e seus derivados (BEN, 2009). A cana-de-açúcar (Saccharum hibridas), uma herbácea da família das gramíneas, é cultivada em praticamente todos os estados brasileiros, ocupando cerca de 9% da superfície agrícola do país. Em 2006, a área colhida foi da ordem de 5,4 milhões de hectares, para uma área plantada de mais de 6,3 milhões de hectares, e produção total de 425 milhões de toneladas. A região de maior destaque é a Centro-Sul-Sudeste (C-S-SE), com mais de 85% da produção; e São Paulo é o maior produtor nacional, com cerca de 60% da produção (Seabra, 2008). O cultivo da cana-de-açúcar tem como clima ideal aquele que apresenta duas estações distintas, com um período quente e úmido para a germinação e desen218

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volvimento vegetativo, e um período seco e frio para a maturação e acúmulo de sacarose. No Centro-Sul do país o cultivo se realiza de janeiro a março, enquanto na região Norte-Nordeste este se dá entre maio e julho.

Figura 1 – Evolução da Produção de Cana no Brasil. Fonte: Adaptado de ÚNICA (2009)

O potencial do bagaço como uma fonte de combustível nos países produtores de açúcar é enorme e, maiormente, não explorado. No Brasil, a capacidade potencial estimada é de 20 GW, mas somente em torno de 2 GW é atualmente usado. Dado o preço de mercado de eletricidade no Brasil, a geração baseada no bagaço pode ser uma proposição muito lucrativa. Se o Brasil conseguir explorar todo seu potencial, resultará em um mercado domestico de US$ 24 bilhões anualmente (Claren Power, 2007). Em 1999, com a desregulamentação do setor elétrico e, principalmente, com a lei que permitiu ao produtor independente de eletricidade ter acesso à rede de transmissão e distribuição pagando uma tarifa controlada pela ANEEL, a nova meta para o setor energético das usinas passou a ser gerar excedentes de energia elétrica para a venda (Seabra, 2008). Nesse sentido, o aumento previsto da eficiência na cogeração, a redução dos consumos internos de energia e a recuperação da palha para uso energético têm sido muito analisados e começam a ser implementados. A recuperação da palha está ligada a programas de redução e controle da queima da palha no campo, motivado pela necessidade de controle da poluição atmosférica local. A cana não queimada já atinge 47% da produção em São Paulo e deverá aumentar nos próximos anos (Moraes, 2009). Estimativas dos aumentos de excedentes de energia elétrica foram feitas por Macedo (2005) para diversos níveis de tecnologia, convencionais ou em desenvolvimento. A operação com sistemas convencionais (vapor) em alta pressão, com 40% de palha recuperada, se implantada em 80% dos sistemas, poderia levar, com a produção atual de cana, a cerca de 30 TWh de excedentes (9% do consumo atual de energia elétrica). Segundo Marcelo Poppe (2009), o negócio das usinas sucroalcooleiras vai ter uma tendência no futuro a mudar para o negócio de energia. O 1% da renda 219

que representou a venda de eletricidade para as usinas em 2005, estima-se, vai representar 16% em 2015, devido ao melhor aproveitamento de energia da cana, e esta capacidade de geração no Brasil, de 3% de participação na rede em 2007, em 2020 representará 15%. Nessa perspectiva, este trabalho visa pesquisar o comportamento operacional de uma usina que aproveita a palha da cana-de-açúcar para a geração e venda de eletricidade à rede.

2 A PALHA Segundo pesquisas realizadas por Hassuani, Leal e Macedo (2005), o potencial dos resíduos da cana (material seco) é perto de 14% do talo da cana. Isso quer dizer que, para cada tonelada de talhos, existem 140 kg de resíduos secos. Os resultados dessas pesquisas podem ser resumidos na Tabela 1, que mostra valores médios registrados nas regiões de Ribeirão Preto e Piracicaba. O agregado anual que o solo do campo de cana-de-açúcar recebe é estimado em aproximadamente 19t/ha de matéria seca se a colheita é mecanizada sem queima de palha; com a queima, é de 8t/ha (Resente et al., 2001). Resíduos e a palha contêm cerca de 140 GJ/ha e 60 GJ/ha respectivamente. É estimado que 95% desse ingresso é tomado durante o mesmo ano para sua decomposição (Resende et al., 2001). Essa quantidade de carbono e energia é utilizada para processos biogeoquímicos. Parte disso vai para a etapa de mineralização, retornando como cinzas para o plantio no ano seguinte. Isso quer dizer que se alimentam os primeiros níveis da cadeia alimentícia, ajudando na biodiversidade por si mesma, e também a cadeia seguinte (Walter et al., 2008). Tabela 1 – Estimativa de disponibilidade de palha, na forma de folhas secas, folhas verdes e colmos Variety SP79-1011

SP80-1842

RB72454 Averange

Stage of cut Plant cane 2nd ratoon 4th ratoon Plant cane 2nd ratoon 4th ratoon Plant cane 2nd ratoon 4th ratoon

Yield (t/ha) 120 92 84 136 101 92 134 100 78 104

Trash* (t/ha) 17.8 15.0 13.7 14.6 17.6 10.5 17.2 14.9 13.6 14.4

Trash/stalk ratio 15% 16% 16% 11% 13% 11% 13% 15% 17% 14%

*Dry matter

Fonte: Hassuani, Leal e Macedo (2005)

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Uma estimativa da disponibilidade da palha foi feita por Braunbeck, Macedo e Cortez (2001) como sendo de 11 milhões de toneladas o total de palha disponível, considerada uma produção de 300 milhões de toneladas de cana, 55% do total da área plantada (área mecanizável), colheita realizada sem queima, com uma quantidade média de 10 Mg•ha-1 de resíduos que permanecem sobre o solo. Recomendam deixar parte dos resíduos no solo, por volta de 50%, para ter benefícios agronômicos, como incremento de matéria orgânica, controle de mato e diminuição da contaminação com terra. Quanto ao recolhimento e adensamento, as dificuldades esbarram na heterogeneidade e baixa massa específica do material, na falta de máquinas de alta capacidade operacional e nos custos elevados, pois a maioria delas é adaptada da colheita de forragem (Hassuani, Leal e Macedo, 2005). O transporte da palha tem um custo elevado em decorrência de sua baixa massa específica, que implica grandes volumes a serem transportados. Em vista disso, sua compactação é de grande importância para a diminuição do custo do transporte, uma vez que este diminui sensivelmente à medida que se aumenta a massa específica do volume transportado. Para a simulação foi considerado um caminhão com capacidade de carga de 80 m3. Michelazzo (2005) apresenta a influência da massa específica do material sobre a carga transportada, como pode ser visto na Tabela 2, utilizando diferentes tecnologias de adensamento e colheita. Tabela 2 – Estimativa dos parâmetros de operação de transporte de palha por tipo de colheita Sistemas Picado a grane

Fardo algodoeiro

Fardo cilíndrico

Briquetag.

Peletiz.

Colheita integral

Carga efetiva (Mg)¹

11,5

Viagens²

156

100

Caminhões³

¹ Carga efetiva (Mg) do caminhão para uma capacidade volumétrica da carga de 80 m³; ² Número de viagens realizadas pelos caminhões nos sistemas, para transportar 1000 Mg . dia-¹; ³ Quantidade de caminhões para transportar 1000 Mg . dia-¹.

Fonte: Michelazzo (2005)

Utilizando equações empíricas, Lopes (1995) desenvolveu um modelo representativo das operações de carregamento e transporte, com o objetivo de analisar o processo de colheita de cana. O custo estimado pelo modelo para o reboque de carretas foi de 0,67 R$•Mg-1, utilizando tratores de 140 cv. A velocidade média 221

nas estradas de terra foi de 30,51 km•h-1 e, nas estradas de asfalto, de 54,17 km•h-1. O custo do transporte variou de 0,81 a 1,32 R$•Mg- 1 para caminhões de maior e menor capacidade de carga respectivamente. Michelazzo (2005) registra custos totais do recolhimento de palhiço para três distâncias de recolhimento (15 km, 50 km e 100 km) utilizando as tecnologias de colheita antes mencionadas (Figura 2). Esses custos consideram o capital de investimento, gastos administrativos e custos com combustíveis.

Figura 2 – Estimativa do custo total da palha coletada nos vários sistemas, em três distâncias (15 km, 50 km e 100 km). Fonte: Michelazzo (2005)

O sistema picado a granel teve custo de 23,34 R$/ton. Porém, o custo final desse sistema foi o mais influenciado pela distância de transporte, aumentando cerca de 50% quando a distância passa de 15 km para 50 km. O sistema de picado a granel, apesar de eliminar os custos associados com as operações de recolhimento e adensamento da palha, equipara-se aos sistemas de fardo cilíndrico e fardo algodoeiro, por seu maior custo do transporte. Com respeito à energia da palha, Hassuani, Leal e Macedo (2005) registram valores de poder calorífico superior, com base em métodos ASTM D-2015. Esses valores estão registrados na Tabela 3. Tabela 3 – Poder calorífico dos componentes da cana Sample

Higher Heating Value MJ/kg*

Dry leaves

17.4

Green leaves

17.4

Tops

16.4

Bagasse

18.1 *Dry basis Fonte: Hassuani, Leal e Macedo (2005)

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Tendo caracterizado a palha como material combustível e descrito o sistema de manuseio a ser aplicado na simulação, é necessário definir a configuração da central de geração de energia da usina.

3 O MERCADO ELÉTRICO BRASILEIRO E O SISTEMA DE GERAÇÃO ADOTADO Os agentes de geração podem participar tanto do ambiente de contratação regulada (ACR) quanto do ambiente de contratação livre (ACL). A diferença mais significativa no que tange à comercialização de energia para o gerador diz respeito à maneira como o agente negocia a energia. No ACR, o agente gerador pode vender energia somente a partir de leilões regulados de aquisição de energia, em que o preço de venda é resultante desses leilões. Já no ACL, o agente gerador pode negociar livremente os preços e as condições da venda de sua energia diretamente com o agente comprador (Cuberos, 2008). O Módulo 26, homologado pela ANEEL, estabelece os critérios para classificar as usinas segundo a modalidade de operação, que caracteriza o relacionamento operacional do agente com o ONS. As usinas são classificadas segundo uma das três modalidades de operação: TIPO I – Programação e despacho centralizados. A usina tem o programa de geração estabelecido de forma coordenada e centralizada pelo ONS, em bases mensais, semanais e diárias; a usina tem o despacho de geração no tempo real coordenado, estabelecido, supervisionado e controlado pelo ONS; TIPO II – Programação centralizada e despacho não centralizado. A usina tem o programa de geração estabelecido de forma coordenada e centralizada pelo ONS, em bases mensais, semanais e diárias; e TIPO III – Programação e despacho não centralizados. A modalidade de operação da usina é definida a partir da avaliação dos impactos verificados tanto na operação hidráulica e energética do SIN quanto na segurança da rede de operação. Para a simulação da usina, adota-se aqui a programação e despacho não centralizados (Tipo III). O preço de liquidação das diferenças (PLD) é utilizado para valorar a compra e a venda de energia no mercado de curto prazo. O PLD é um valor determinado semanalmente para cada patamar de carga com base no custo marginal de operação, limitado por um preço máximo e um mínimo vigentes para cada período de apuração e para cada submercado. Os intervalos de duração de cada patamar são determinados para cada mês de apuração pelo ONS e informados à CCEE, para que sejam considerados no Sistema de Contabilização e Liquidação. A Figura 3 mostra os PLD para o subsistema Sudeste registrados no período do ano do 2008 (CCEE). 223

Figura 3 – Preços médios de MWH no Subsistema SE. Fonte: CCEE

Para o caso do sistema de cogeração adotado na usina, mostra-se a configuração deste na Figura 4, o qual é composto de uma caldeira de alta pressão (90 bar e temperatura de vapor superaquecido 520º), uma turbina de contrapressão com saída de vapor para processo a 2,5 bar e uma turbina de condensação com saída a 0,1 bar para geração de excedentes de eletricidade. Os parâmetros de capacidade e eficiência nominais são indicados na Tabela 4.

Figura 4 – Configuração de 1 turbina de contrapressão e 1 turbina de condensação

Tabela 4 – Características do sistema de cogeração a avaliar na usina

224

Capacidade da caldeira

280 ton vapor/h

Eficiência da caldeira nominal

80,00%

Potencia da turbina I

30 MW

Eficiência elétrica do ciclo

21,82%

Potencia da turbina II

30 MW

Eficiência elétrica do ciclo

29,61%

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4 MODELAGEM DO PROBLEMA Definidas as condições de operação e o recurso, chega-se à definição do objetivo e do método. Objetivo: maximizar o lucro produzido pela renda da venda de energia elétrica ao sistema menos os custos de coleta e de transporte de palha até a usina, considerando os preços da energia no mercado de curto prazo. Método a utilizar: Otimização dinâmica determinística. Software a utilizar: Lingo 11.0, versão de avaliação. O custo da palha na usina depende de custos fixos e variáveis como a distância da parcela de campo à usina. São consideradas três parcelas de campo com o objetivo de reduzir os cálculos. A Figura 5 ilustra o problema apresentado. O período adotado como unidade é 1 semana (7 dias), considerando para a operação 10 períodos, com a condição de parar a coleta de palha ao fim do período 9. Para os preços de energia, são considerados os preços médios reportados pela CCEE no período de 27/12/2008 a 6/3/2009 no subsistema SE.

Figura 5 – Representação esquemática do problema

Modelagem Matemática Função Objetivo: onde: Pj preço da energia dependente do período uj energia vendida no período ci custo da palha na usina dependente de cada parcela xj volume de palha trazida à usina wij volume de palha armazenada na usina 225

Restrições • Geração e armazenagem

• Tempo

• Volume

• Capacidade onde: x j palha armazenada durante o período j PC poder calorífico da palha η q eficiência de queima na caldeira da palha η c eficiência do ciclo termodinâmico t tempo por unidade de palha trazida do campo N frota disponível para o transporte da palha D disponibilidade efetiva da frota M capacidade de carregamento do treminhão Vij volume de palha disponível no campo no período j na parcela i Tperíodo tempo disponível de horas-caminhão durante a semana U capacidade de geração de energia da planta de cogeração X capacidade de armazenamento de palha na usina A restrição de geração e armazenagem explica o destino da palha coletada nesse período, tendo a opção de ser queimada no sistema de geração para venda de eletricidade, considerando o poder calorífico da palha, a eficiência da carga parcial da caldeira, a eficiência da turbina à condensação, ou, como segunda opção, ser destinada ao campo de armazenagem anexo à usina para posterior queima. A restrição de tempo refere-se ao produto do tempo utilizado por unidade de tonelada de palha, considerando as diferentes distâncias de cada parcela e os tempos estimados de acordo a essas distâncias. A restrição dos volumes indicam os volumes disponíveis em cada parcela depois de ser realizada a coleta durante k períodos.

226

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As restrições de capacidades limitam as unidades de energia geradas em MWh, considerando a capacidade da turbina de condensação operada 24 h por dia durante os 7 dias da semana. A restrição de capacidade de armazenamento limita o máximo de palha armazenada durante um período. As Tabelas 5 e 6 mostram os parâmetros a se utilizar na simulação. Tabela 5 – Parâmetros característicos de cada parcela Parâmetro

Parcela I 10.000 ha

Parcela II 15.000 ha

Parcela III 10.000 ha

V1j=0

Descrição Área Volume de palha disponível inicial

20.000 ton

30.000 ton

20.000 ton

Custo de coleta e transporte até a usina

22 R$/ton

30 R$/ton

45 R$/ton

Tempo de coleta e transporte até a usina

2,77 h/viagem

3,52 h/viagem 4,77 h/viagem

Tabela 6 – Parâmetros adotados para a simulação Parâmetro

Descrição

Valor

Quantidade de palha disponível

10 ton palha/ha

Quantidade de palha limitada pela colheita

2 ton palha/ha

Períodos adotados

Capacidade de carregamento de palha picada do caminhão por viagem

6 ton/viagem

Poder calorífico inferior adotado para a palha

17 MJ/ton

ηq

Eficiência de queima de palha na caldeira à carga parcial

0,6

ηc

Eficiência elétrica do ciclo de cogeração

0,2961

Frota disponível para o transporte da cana até a usina

Disponibilidade efetiva da frota

0,95

Capacidade de geração adotada

40 MW

Capacidade de armazenamento

1.000 ton

227

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES O programa reportou 127 variáveis e 131 restrições e 35 iterações. Os resultados principais são apresentados na Tabela 7. Tabela 7 – Resultados gerais obtidos pela simulação Conceito

Valor

Função objetivo

US$ 2.325.583

Renda bruta

US$ 3.817.659

Custos variáveis totais

US$ 1.492.074

Energia gerada total

44.783 MWh

Fator de planta da turbina

66,64%

Horas totais de coleta e transporte

29.520 h

Fator de utilização da frota

78,10%

Total palha coletada

53.379 ton

Palha disponível no campo ao fim

16.621 ton

A simulação conseguiu demonstrar que a utilização da otimização dinâmica determinística pode ser uma ferramenta para a gestão de logística de coleta e transporte de palha para a usina, com possibilidade de fazer, num caso real, uma programação dinâmica estocástica para estimar os preços de energia futuros. A função objetivo reportou um valor de US$ 2,325 milhões no período de 10 semanas considerado. A usina gerou 44.783 MWh, com um fator de planta de 66,64%, não conseguindo valores maiores devido aos preços baixos da 2ª e 9ª semanas (nessas semanas também as coletas de palha foram mínimas e destinadas à armazenagem), e, em alguns casos, à capacidade limitada da frota para a coleta e transporte até a usina (semanas 3, 6 e 8). As Figuras 6 e 7 mostram os efeitos dos preços de venda de eletricidade nas rendas e no gerenciamento da coleta durante os períodos. Na Figura 6 pode-se observar que os lucros pelas vendas de energia acompanhou os preços de energia, inclusive na semana 10, quando não se fez mais coleta e se teve um lucro de R$ 54 mil, resultado da geração com a palha armazenada na semana 10. Sobre os custos variáveis, podemos concluir que, nas semanas de preços baixos, a coleta foi mínima, e nas semanas em que se conseguia obter um lucro positivo, esses custos ficaram estáveis, ao redor de R$ 200 mil.

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Figura 6 – Valores de preço de energia, renda e custo variável durante o período avaliado

Figura 7 – Valores de preço de energia e palha disponíveis nas parcelas I, II e III durante o período avaliado

Já na Figura 7 mostra-se o gerenciamento da usina segundo os preços de eletricidade. Por exemplo, fez-se coleta da palha na parcela III nas semanas de preços baixos, não tendo coleta nas outras semanas. Pode-se concluir que, num caso real, não é toda a palha resultante da cultura de cana-de-açúcar que pode ser aproveitada, o que depende da viabilidade econômica que possam dar os preços de energia elétrica. Reportam-se também, a uma distribuição de coleta das parcelas programadas para se utilizar ao fim da semana, as 3.990 horas de caminhão disponíveis, conseguindo ter palha da parcela I disponível até o começo da semana 7, e, da parcela II, até o começo da semana 8, obtendo-se nos períodos de preços altos (semanas 1, 4, 5 e 7) uma operação da turbina de geração a plena carga.

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6 ANÁLISE DE SENSIBILIDADE A análise de sensibilidade permite avaliar impactos associados às alterações dos valores das variáveis de entrada e dos parâmetros do sistema, e das mudanças estruturais em um modelo. Esses impactos são determinados pelas análises das variáveis de saída. A Figura 8 mostra as variáveis consideradas, sua variação e os efeitos desta sobre a função objetivo. Da Figura 8 pomos concluir que o fator de maior influência na função objetivo é o preço de energia, tendo uma relação linear. O efeito observado pela variação da eficiência de queima na caldeira indica que se deve procurar um uso desta a plena carga. Nesse sentido, pode-se optar por uma caldeira exclusiva para a geração de energia elétrica com uma turbina de condensação, o que permitiria que palha de maior custo seja viável para geração. O custo de transporte e coleta da palha e a capacidade de carregamento são consequência do tipo de colheita adotada para o manuseio da palha. Dessa forma, uma coleta conjunta com a cana, como enunciam Michelazzo (2005) e Hassuani, Leal e Macedo (2005), afetaria positivamente o lucro obtido pela venda de energia. Para um acréscimo de 20% na palha disponível por parcela, ou seja, ter um limite de 2,4 ton/ha a colher por hectare, consegue-se um acréscimo no lucro de aproximadamente 5%. Na simulação, registrou-se que, para este caso, ficaria aproximadamente 5.200 ton de palha na parcela II, e não se coletaria palha da parcela III.

Figura 8 – Resultados da análise de sensibilidade

No caso da capacidade de geração, os acréscimos se devem à operação que aproveita os preços altos de eletricidade, coletando palha, nesses períodos, na parcela I, se havia como fator limitante a capacidade de frete. Desses dois últimos fatos, pode-se inferir que, utilizando 10 ton/ha como limite para a coleta 230

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de palha, como propõem Michelazzo (2005) e Hassuani, Leal e Macedo (2005), e aumentando a capacidade de frete (ou aumentando o número de períodos de operação), o potencial de geração seria bem maior, incrementando os lucros percebidos na venda de bioeletricidade, conforme prognostica Poppe (2008). Na execução deste trabalho, não se consideraram os custos fixos como amortização do investimento, salários, manutenção e reposição de equipamentos e custos dos insumos para a operação da planta de geração, como produção de água, lubrificantes, etc. Ajustes nesse sentido devem ser realizados para se obterem resultados mais confiáveis.

7 CONCLUSÕES A otimização dinâmica determinística mostrou ser uma boa ferramenta para realizar a programação da coleta de palha, com o fim de maximizar o lucro gerado pela venda de energia no mercado elétrico de curto prazo, tendo preços estimados. O lucro obtido na simulação foi ao redor de US$ 2,325 milhões e uma geração de 44,7 GWh, mostrando um balanço positivo. Deve-se ter em conta que a geração elétrica a partir de biomassa apresenta características restritivas similares, como custo de transporte em função da distância, capacidade de transporte limitada, tempo de coleta e de transporte, etc. A modelagem do problema apresentada nesta monografia pode ser utilizada também para outras culturas (por exemplo, o eucalipto), para geração e venda de energia. Da análise de sensibilidade conclui-se que os preços de energia são a variável mais importante. Nesse sentido, tem-se de fazer avaliações do tipo de mercado de que se deseja participar, livre ou regulado. Da avaliação quanto à eficiência de queima da caldeira, resulta a recomendação de dimensionar uma caldeira exclusiva para o sistema de queima da palha, com o objetivo de trabalhar a carga nominal e de alcançar valores maiores de eficiência. Considerando que só se utilizaram 20% da palha e com a possibilidade de adotar melhorias na capacidade e na operação de geração, no sistema de coleta e na capacidade da frota, conclui-se que a queima de palha para geração de energia elétrica, com o tempo, será importante não só para o incremento de rendas no setor sucroalcooleiro, mas também para a diversificação da matriz energética do Brasil.

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