ANÁLISE DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO DE PROJETO ......LUCIANA OLIVEIRA DA SILVA LIMA ANÁLISE DA...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE

EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

LUCIANA OLIVEIRA DA SILVA LIMA

ANÁLISE DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO DE PROJETO DE EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA NO SETOR RESIDENCIAL

Cuiabá - MT

Fevereiro, 2014

LUCIANA OLIVEIRA DA SILVA LIMA

ANÁLISE DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO DE PROJETO DE EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA NO SETOR RESIDENCIAL

Dissertação apresentada junto ao

Programa de Pós-Graduação em

Engenharia de Edificações e Ambiental

da Universidade Federal de Mato Grosso,

como requisito para obtenção do título de

Mestre.

Orientador: Prof. Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos.

Cuiabá - MT

Fevereiro, 2014

DEDICATÓRIA

A Deus pela vida e oportunidade, e aos

queridos familiares, pelo amor, apoio e

compreensão nas horas difíceis.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus pelo privilégio de poder realizar este sonho e ter me fortalecido, para

não desanimar no meio do caminho.

Ao Prof. Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos, pela orientação e principalmente pelo

incentivo, apoio, pela confiança e grande amizade, ingredientes que possibilitaram a

realização deste trabalho.

Aos professores Dr. Kleiber David Rodrigues, Dr.ª Marta Cristina de Jesus

Albuquerque Nogueira e Dr.ª Teresa Irene Ribeiro de Carvalho Malheiro, da Comissão

Examinadora, pela amabilidade e grandes contribuições para o aprimoramento deste trabalho.

Agradeço aos meus familiares, que sempre me apoiaram e incentivaram a seguir em

frente, especialmente Divina Silva, Lucinéia Seabra, Elaine Silva e Lucielly Seabra.

Ao meu marido, Uri Yostaque de Lima, que soube ser paciente nos momentos

decisivos.

Aos amigos Carmelina Suquerê de Moraes, Daniel Moussalem Apolonio, Emilly

Marques Silva Freire, Késia Cristina Mena de Castro da Mata, Laís Braga Caneppele, Oana

Cristina da Veiga Walendolf, Rainy da Conceição Soares e Sonia Santos de Alencar

Ludovico, pessoas maravilhosas que tive o privilégio de conhecer e compartilhar um pouco da

minha vida.

Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e

Ambiental: Dr. Adnauer Tarquínio Daltro, Dr. Arnulfo Barroso De Vasconcellos, Dr.

Bismarck Castillo Carvalho, Dr. Douglas Queiroz Brandão, Dra. Eliana Beatriz Nunes

Rondon Lima, Dr. Humberto da Silva Metello, Dr. Ivan Julio Apolônio Callejas, Dr. José

Antônio Lambert, Dra. Luciane Cleonice Durante, Dr. Norman Barros Logsdon, Dr. Paulo

Modesto Filho e Dr. Roberto Apolônio, pelos ensinamentos, discussões e incentivo durante o

curso.

Aos servidores do Programa de Pós-Graduação Engenharia de Edificação e

Ambiental, aqueles que direta ou indiretamente participaram da execução deste trabalho.

À CAPES que proporcionou a bolsa de estudos de mestrado, sem a qual a dedicação

exclusiva ao desenvolvimento do trabalho não seria possível.

1

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... 5

LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. 8

RESUMO ................................................................................................................................. 10

ABSTRACT ............................................................................................................................ 11

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 12

1.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 15

1.1.1 Objetivo Geral ...................................................................................................... 15

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................................... 16

2 REFERENCIAL TEÓRICO .......................................................................................... 17

2.1 ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL E NO MUNDO ............................................................ 17

2.2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA: CONCEITUAÇÃO E HISTÓRICO .......................................... 18

2.3 SETOR RESIDENCIAL .................................................................................................. 20

2.3.1 A Eficiência Energética no Plano Nacional de Energia ...................................... 21

2.4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES ............................................................... 22

2.4.1 Zoneamento Bioclimático ..................................................................................... 23

2.5 REGULAMENTO TÉCNICO DA QUALIDADE PARA O NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

EM EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS (RTQ-R)................................................................. 24

2.5.1 Envoltória ............................................................................................................. 26

2.6 SUBGRUPOS E MODALIDADES TARIFÁRIAS ................................................................ 27

2.6.1 Postos Tarifários .................................................................................................. 29

2.6.2 Modalidades Tarifárias ........................................................................................ 30

2.6.3 Sistema de Bandeiras Tarifárias de Energia ........................................................ 31

2.7 ENERGYPLUS .............................................................................................................. 33

2.7.1 Interface Inicial .................................................................................................... 34

2.7.2 Versão (Version) ................................................................................................... 36

2.7.3 Construção (Building) .......................................................................................... 36

2.7.4 Controle de Simulação (SimulationControl) ........................................................ 36

2.7.5 Intervalo de Tempo (Timestep) ............................................................................. 37

2.7.6 Localização (Site:Location) ................................................................................. 37

2.7.7 Dias Típicos de Simulação (SizingPeriod:DesignDa) ......................................... 38

2.7.8 Período de Simulação (RunPeriod) ...................................................................... 38

2.7.9 Temperatura do Solo (Site:GroundTemperature:BuildingSurface) ..................... 38

2.7.10 Limites das Rotinas (ScheduleTypeLimits) ....................................................... 39

2.7.11 Rotina Compacta (Schedule:Compact) ............................................................ 39

2.7.12 Material (Material) .......................................................................................... 39

2.7.13 Construção (Construction) ............................................................................... 40

2.7.14 Regras de Geometria Global (GlobalGeometryRules) .................................... 40

2.7.15 Zona (Zone) ...................................................................................................... 40

2.7.16 Construção Detalhada da Superfície (BuildingSurface:Detailed) ................... 40

2.7.17 Tarifação .......................................................................................................... 42

2.7.17.1 Tipo de Moeda (CurrencyType) ................................................................... 42

2.7.17.2 Tarifa (UtilityCost:Tariff) ............................................................................ 42

2.7.17.3 Definição de Consumo e Demanda (UtilityCost:Charge:Simple) ............... 42

2.7.18 Estilo da Tabela de Saída de Dados (OutputControl:Table:Style) .................. 43

2.7.19 Variável de Saída (Output:Variable) ............................................................... 43

2.8 CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DA CEMAT ........................................................... 43

2

2.8.1 Mercado Consumidor ........................................................................................... 44

2.8.2 Análise das Perdas ............................................................................................... 46

2.8.3 Análise dos Índices de Continuidade DEC/FEC .................................................. 47

2.8.4 Projeto “Luz em conta” ....................................................................................... 47

3 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA

SUBSTITUIÇÃO DE LÂMPADAS E DE REFRIGERADORES.............................. 49

3.1 ÁREA DE ESTUDO ...................................................................................................... 49

3.2 MODELAGEM DA CASA POPULAR TIPO ...................................................................... 50

3.3 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL NO SOFTWARE ENERGYPLUS. .................................... 52

3.4 CÁLCULO DA ENERGIA ECONOMIZADA (EE) E DA REDUÇÃO DE DEMANDA NA PONTA

(RDP) ....................................................................................................................... 54

3.5 VIABILIDADE ECONÔMICA DE PROJETOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ...................... 56

3.6 METODOLOGIA PARA CÁLCULO DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO ............................ 57

3.6.1 Custo Evitado de Demanda (CED) ...................................................................... 57

3.6.2 Custo da Energia Evitada (CEE) ......................................................................... 58

3.6.3 Relação Custo-Benefício (RCB) ........................................................................... 59

3.6.4 Custos Anualizados (CAT) .................................................................................... 60

3.6.5 Custo Total em Equipamentos (CET) .................................................................... 60

3.6.6 Custo Anualizado dos Equipamentos (CAn) ......................................................... 60

3.6.7 Fator de Recuperação de Capital (FRC) ............................................................. 61

3.6.8 Benefícios Anualizados (BAT) ............................................................................... 61

3.7 CÁLCULO DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO ............................................................... 62

3.7.1 Vida Útil ............................................................................................................... 62

3.7.2 Resultados Esperados ........................................................................................... 62

3.7.3 Cálculo do Custo Evitado de Demanda (CED) .................................................... 63

3.7.4 Cálculo do Custo da Energia Evitada (CEE) ....................................................... 64

3.7.5 Cálculo dos Custos Anualizados (CAT) ................................................................ 65

3.7.6 Cálculo dos Benefícios Anualizados (BAT) .......................................................... 68

3.7.7 Cálculo da RCB Total .......................................................................................... 68

4 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................... 69

4.1 MATERIAIS ................................................................................................................ 69

4.1.1 Analisador de Energia VIP-System 3 ................................................................... 70

4.1.2 MARH-21 .............................................................................................................. 70

4.1.3 FLUKE 434 .......................................................................................................... 72

4.1.4 SAGA 4500 ........................................................................................................... 72

4.1.5 Horímetro ............................................................................................................. 72

4.2 MÉTODOS .................................................................................................................. 73

4.3 METODOLOGIA PARA O CÁLCULO DA REDUÇÃO DO CONSUMO ANUAL DE ENERGIA

ELÉTRICA E DEMANDA DE POTÊNCIA ATIVA ............................................................ 75

4.4 PROCESSO DE SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO ...................................... 77

4.4.1 Redução do Consumo Anual de Energia Elétrica e Demanda de Potência Ativa79

4.4.2 Cálculo da Redução de Consumo do Sistema de Iluminação .............................. 79

4.4.3 Cálculo do Consumo das Lâmpadas Incandescentes (CALI) ................................ 79

4.4.4 Cálculo do Consumo das Lâmpadas Fluorescentes Compactas (CALFC) ............ 80

4.4.5 Cálculo da Redução do Consumo Anual de Energia Elétrica (RCASI) ................ 80

4.4.6 Cálculo da Redução da Demanda de Potência (RDPSI) ...................................... 80

4.5 PROCESSO DE SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO .................................. 80

4.5.1 Cálculo do Consumo dos Refrigeradores Convencionais (CARC) ........................ 83

3

4.5.2 Cálculo do Consumo dos Refrigeradores Eficientes (CARE) ................................ 84

4.5.3 Cálculo da Redução do Consumo Anual de Energia Elétrica (RCASR) ............... 84

4.5.4 Cálculo da Redução da Demanda de Potência (RDPSR)...................................... 84

4.6 CÁLCULO DA REDUÇÃO TOTAL DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA E DA DEMANDA

DE POTÊNCIA ATIVA ................................................................................................. 84

4.6.1 Cálculo da Redução do Consumo de Energia Elétrica Total (RCATotal).............. 85

4.6.2 Cálculo da Redução da Demanda de Potência Ativa Total ................................. 85

4.7 COMPARAÇÃO DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COM A MEDIÇÃO E VERIFICAÇÃO DE

DESEMPENHO ............................................................................................................ 85

5 AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCO PARA A MELHORIA DA

ENVOLTÓRIA DA EDIFICAÇÃO .............................................................................. 87

5.1 ÁREA DE ESTUDO ...................................................................................................... 87

5.2 EFICIÊNCIA DA ENVOLTÓRIA: MÉTODO PRESCRITIVO ............................................... 89

5.2.1 Determinação do Nível de Eficiência – Orientação Sul....................................... 92

5.3 MODELAGEM DA EDIFICAÇÃO ................................................................................... 94

5.3.1 Edificação Convencional ...................................................................................... 94

5.3.2 Edificação Eficiente .............................................................................................. 97

5.3.2.1 Manta Térmica de Uma Camada .................................................................. 97

5.3.2.2 Tinta Térmica para Telhas Branca................................................................ 98

5.3.2.3 Comparação entre Manta Térmica e Tinta Térmica ..................................... 99

5.4 CÁLCULO DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO DA EFICIÊNCIA DA ENVOLTÓRIA ......... 100

5.5 VIDA ÚTIL DA TINTA TÉRMICA ............................................................................... 100

5.6 RESULTADOS ESPERADOS ........................................................................................ 100

5.6.1 Cálculo da Redução do Consumo Anual de Energia Elétrica (RCA) ................ 102

5.6.2 Cálculo da Redução da Demanda de Potência (RDP) ...................................... 102

5.6.3 Cálculo dos Custos Anualizados (CAT) .............................................................. 102

5.6.3.1 Custo da Tinta Térmica .............................................................................. 102

5.6.3.2 Custo de Mão de Obra ................................................................................ 103

5.6.4 Cálculo dos Benefícios Anualizados (BAT) ........................................................ 105

5.6.5 Cálculo da RCB Total ........................................................................................ 105

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 107

6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................................................................. 109

6.2 ARTIGOS ORIGINADOS DESTA DISSERTAÇÃO ............................................................ 109

BIBLIOGRAFIAS ................................................................................................................ 111

APÊNDICE A ....................................................................................................................... 115

A1. ENVOLTÓRIA E PRÉ-REQUISITOS DOS AMBIENTES ............................ 115

A1.1. ZONA BIOCLIMÁTICA ......................................................................................... 115

A1.2. AMBIENTE ........................................................................................................ 115

A1.3. COBERTURA ..................................................................................................... 117

A1.4. PAREDES EXTERNAS .......................................................................................... 118

A1.5. CARACTERÍSTICA CONSTRUTIVA ......................................................................... 119

A1.6. ÁREAS DE PAREDES EXTERNAS DO AMBIENTE .................................................... 119

A1.7. ÁREAS DE ABERTURAS EXTERNAS ...................................................................... 120

A1.8. CARACTERISTICAS DAS ABERTURAS .................................................................... 120

A1.9. CARACTERÍSTICAS GERAIS ................................................................................. 121

A1.10. CARACTERÍSTICAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO PARA ZB 1 E ZB2 ......................... 121

A1.11. INDICADOR DE GRAUS-HORA PARA RESFRIAMENTO ............................................ 121

4

A1.12. CONSUMO RELATIVO PARA AQUECIMENTO ........................................................ 122

A1.13. CONSUMO RELATIVO PARA REFRIGERAÇÃO ....................................................... 122

A2. ORIENTAÇÃO SUL ............................................................................................ 123

A3. ORIENTAÇÃO OESTE ...................................................................................... 128

A4. ORIENTAÇÃO NORTE ..................................................................................... 133

A5. ORIENTAÇÃO LESTE ....................................................................................... 138

5

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Consumo percentual de energia elétrica no Brasil por setor ................................... 13

Figura 2 – Consumo anual de eletricidade do setor residencial (TWh) ................................... 13

Figura 3 – Histórico de consumo anual de energia elétrica per capta ...................................... 17

Figura 4 – Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte em 2011 ........................................... 18

Figura 5 – Consumo total de energia elétrica por região geográfica ........................................ 18

Figura 6 – Consumo anual de energia elétrica por setor .......................................................... 20

Figura 7 – Consumo final na carga residencial do Brasil ......................................................... 20

Figura 8 – Consumo final na carga residencial da região Centro-Oeste .................................. 21

Figura 9 – Potenciais de conservação de energia ..................................................................... 21

Figura 10 – Zoneamento bioclimático brasileiro ...................................................................... 23

Figura 11 – Pré-requisitos da envoltória .................................................................................. 27

Figura 12 – Grupo A ................................................................................................................. 28

Figura 13 – Grupo B ................................................................................................................. 29

Figura 14 – Definição dos Postos Tarifários ............................................................................ 29

Figura 15 – Esquema tarifário básico para as modalidades do Grupo A ................................. 30

Figura 16 – Divisão do Território do Brasil em Subsistemas................................................... 32

Figura 17 – Tela inicial do EnergyPlus .................................................................................... 34

Figura 18 – Parte da tela inicial do IDF Editor ........................................................................ 35

Figura 19 – Classe Version ....................................................................................................... 36

Figura 20 – Classe Building ..................................................................................................... 36

Figura 21 – Classe SimulationControl ..................................................................................... 37

Figura 22 – Classe Timestep .................................................................................................... 37

Figura 23 – Classe Site:Location. ............................................................................................. 38

Figura 24 – Classe RunPeriod .................................................................................................. 38

Figura 25 – Classe Site:GroundTemperature:BuildingSurface ................................................ 39

Figura 26 – Classe ScheduleTypeLimits .................................................................................. 39

Figura 27 – Classe Material ...................................................................................................... 39

Figura 28 – Classe Construction ............................................................................................... 40

Figura 29 – Sistema de Coordenadas do EnergyPlus ............................................................... 40

Figura 30 – Esquema de visualização das superfícies de uma zona. ........................................ 41

Figura 31 – Classe UtilityCost:Tariff ....................................................................................... 42

Figura 32 – Classe UtilityCost:Charge:Simple ........................................................................ 43

Figura 33 – Classe OutputControl:Table:Style ........................................................................ 43

Figura 34 – Class Output:Variable ........................................................................................... 43

6

Figura 35 – Crescimento médio anual da venda de Energia Elétrica Ativa ............................. 44

Figura 36 – Perfil das vendas de energia da CEMAT em 2012 ............................................... 45

Figura 37 – Perfil do número de consumidores da CEMAT em 2013 ..................................... 45

Figura 38 – Características das perdas do sistema da CEMAT ................................................ 46

Figura 39 – Planta Baixa da edificação tipo ............................................................................. 49

Figura 40 – Detalhe construtivo da parede e da cobertura ....................................................... 50

Figura 41 – Zonas térmicas da casa popular............................................................................. 50

Figura 42 – Maquete eletrônica 3D da edificação .................................................................... 51

Figura 43 – Histórico simulado do consumo mensal de energia elétrica ................................. 53

Figura 44 – Demanda dos sistemas de Refrigeração e de Iluminação ..................................... 53

Figura 45 – Analisador de energia VIP-System 3 .................................................................... 70

Figura 46 – Analisador de energia MARH-21 ......................................................................... 71

Figura 47 – Analisador Trifásico de Energia FLUKE 434 ....................................................... 72

Figura 48 – Analisador de Grandezas Elétricas SAGA 4500 ................................................... 72

Figura 49 – Horímetro .............................................................................................................. 73

Figura 50 – Medição de refrigerador utilizando o analisador de energia MARH21 ................ 74

Figura 51 – Medição do tempo de funcionamento de lâmpada utilizando o horímetro ........... 74

Figura 52 – Potência Ativa de uma lâmpada incandescente de 100W e de uma lâmpada

fluorescente de 20W ............................................................................................ 78

Figura 53 – Tensão de alimentação e Corrente da Lâmpada Incandescente de 100W ............ 78

Figura 54 – Tensão de alimentação e Corrente da Lâmpada Fluorescente Compacta ............. 79

Figura 55 – Refrigeradores antigos armazenadas em galpão após serem substituídas ............ 81

Figura 56 –Potência Ativa Média do Refrigerador Convencional e Refrigerador Selo

Procel ................................................................................................................... 82

Figura 57 – Características das grandezas médias dos Refrigeradores Convencionais e

Selo Procel 300 litros .......................................................................................... 82

Figura 58 – Comparação da Redução do Consumo Anual de Energia Elétrica ....................... 85

Figura 59 – Comparação da Redução de Demanda a Ponta ..................................................... 86

Figura 60 – Localização do Residencial Jamil Boutros Nadaf. ................................................ 87

Figura 61 – Planta Baixa da edificação tipo. ............................................................................ 88

Figura 62 – Fachada da casa popular........................................................................................ 89

Figura 63 – Detalhe construtivo da parede e da cobertura. ...................................................... 89

Figura 64 – Planilha de cálculo do desempenho da UH (método prescritivo). ........................ 90

Figura 65 – Quadrantes para definição da orientação das fachadas. ........................................ 91

Figura 66 – Orientação da fachada principal das edificações do Residencial Jamil Boutros

Nadaf. .................................................................................................................. 91

7

Figura 67 – Vista de Topo e Corte da edificação modelada. .................................................... 95

Figura 68 – Vistas da edificação modelada. ............................................................................. 95

Figura 69 – Estimativa de consumo mensal da edificação convencional................................. 96

Figura 70 – Demanda máxima da edificação convencional ..................................................... 96

Figura 71 – Manta térmica de uma camada .............................................................................. 97

Figura 72 – Instalação de manta térmica .................................................................................. 98

Figura 73 – Tinta térmica revestindo telha cerâmica ............................................................... 98

Figura 74 – Temperatura superficial da edificação tipo. .......................................................... 99

Figura 75 – Comparação do consumo de energia elétrica ...................................................... 100

Figura 76 – Estimativa de Consumo da Edificação Eficiente ................................................ 101

Figura 77 – Estimativa de Demanda Máxima da Edificação Eficiente .................................. 101

8

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Potencial de conservação no setor residencial ........................................................ 22

Tabela 2 – Equivalente Numérico (EqNum) para cada nível de eficiência.............................. 25

Tabela 3 – Classificação do nível de eficiência de acordo com a pontuação obtida ................ 25

Tabela 4 – Coeficientes da equação (1) .................................................................................... 25

Tabela 5 – Pré-requisitos de absortância solar, transmitância térmica e capacidade térmica

para as diferentes Zonas Bioclimáticas ............................................................... 26

Tabela 6 – Variação de vendas em GWh por Classe de Consumo........................................... 45

Tabela 7 – Variação do número de Consumidores por Classe de Consumo ............................ 46

Tabela 8 – Índices continuidade de serviço .............................................................................. 47

Tabela 9 – Médias Mensais da Temperatura do Solo utilizadas na simulação ........................ 51

Tabela 10 – Características térmicas dos materiais da edificação tipo..................................... 52

Tabela 11 – Características da simulação ................................................................................. 52

Tabela 12 – Estimativa do Consumo Anual e Potência Total .................................................. 53

Tabela 13 – Coeficientes das equações (8) à (12) ( k=0,15) ................................................... 59

Tabela 14 – Metas de Redução de Demanda na Ponta (RDP) e de Energia Anual

Economizada (EE) ............................................................................................... 62

Tabela 15 – Amostragem do Consumo, Demanda e Fator de Carga ....................................... 63

Tabela 16 – Coeficientes de LP e LEs para k=0,15 das equações (8) à (12) ( k=0,15) ........... 64

Tabela 17 – Custos dos Equipamentos ..................................................................................... 65

Tabela 18 – Detalhamento dos custos do projeto de eficiência energética .............................. 65

Tabela 19 – Tamanho da amostra para medição e verificação de performance ....................... 73

Tabela 20 – Medição de uma lâmpada incandescente de 100W e de uma lâmpada

fluorescente de 20W ............................................................................................ 77

Tabela 21 – Resultados de Medições dos Refrigeradores ........................................................ 81

Tabela 22 – Medição de um Refrigerador Convencional e de um Refrigerador Selo Procel

de 300 litros ......................................................................................................... 83

Tabela 23 – Análise da Envoltória – Orientação Sul................................................................ 92

Tabela 24 – Pré-requisitos por ambiente – Orientação Sul ...................................................... 93

Tabela 25 – Pontuação após avaliar os pré-requisitos por ambiente (Orientação Sul) ............ 93

Tabela 26 – Análise da classificação final da UH .................................................................... 94

Tabela 27 – Estimativa de Consumo Anual e Demanda de Potência Ativa (Edificação

Eficiente) ........................................................................................................... 101

Tabela 28 – Custos Diretos do projeto ................................................................................... 103

Tabela 29 – Detalhamento dos custos do projeto de eficiência energética ............................ 104

Tabela A 1 – Área útil dos ambientes..................................................................................... 117

9

Tabela A 2 – Absortância (α) para radiação solar .................................................................. 118

Tabela A 3 – Cálculo da Capacidade Térmica Ponderada da envoltória dos ambientes ........ 119

Tabela A 4 – Área das paredes externas dos ambientes. ........................................................ 120

Tabela A 5 – Áreas de abertura externas. ............................................................................... 120

Tabela A 6 – Fatores de Ventilação e de Sombreamento. ...................................................... 121

Tabela A 7 – Área das Paredes Internas. ................................................................................ 121

Tabela A 8 – Análise da Envoltória e dos Pré-Requisitos dos Ambientes (Orientação Sul) . 123

Tabela A 9 – Pré-requisitos por ambiente (Orientação Sul) ................................................... 124

Tabela A 10 – Análise dos Pré-requisitos da Envoltória e Equivalente Numérico da

Envoltória (Orientação Sul) .............................................................................. 125

Tabela A 11 – Análise das Bonificações (Orientação Sul) .................................................... 126

Tabela A 12 – Análise da classificação final da UH (Orientação Sul)................................... 127

Tabela A 13 – Análise da Envoltória e dos Pré-Requisitos dos Ambientes (Orientação

Oeste) ................................................................................................................ 128

Tabela A 14 – Pré-requisitos por ambiente (Orientação Oeste) ............................................. 129


Envoltória (Orientação Oeste) ........................................................................... 130

Tabela A 16 – Análise das Bonificações (Orientação Oeste) ................................................. 131

Tabela A 17 – Análise da classificação final da UH (Orientação Oeste) ............................... 132


Norte) ................................................................................................................ 133

Tabela A 19 – Pré-requisitos por ambiente (Orientação Norte) ............................................. 134


Envoltória (Orientação Norte) ........................................................................... 135

Tabela A 21 – Análise das Bonificações (Orientação Norte) ................................................. 136

Tabela A 22 – Análise da classificação final da UH (Orientação Norte) ............................... 137


Leste) ................................................................................................................. 138

Tabela A 24 – Pré-requisitos por ambiente (Orientação Leste) ............................................. 139


Envoltória (Orientação Leste) ........................................................................... 140

Tabela A 26 – Análise das Bonificações – Orientação Leste ................................................. 141

Tabela A 27 – Análise da classificação final da UH – Orientação Leste ............................... 142

10

RESUMO

LIMA, L. O. S. Análise da relação Custo-Benefício de projeto de eficiência energética no

setor residencial. 2014. 141f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações e

Ambiental), Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Universidade Federal de

Mato Grosso, Cuiabá, 2014.

Em projetos de eficiência elétrica, que envolve a troca de equipamentos convencionais por

eficientes, existe a dificuldade de se estimar o consumo de energia elétrica ativa e a demanda

de potência ativa, antes e após a execução do projeto. Porém, o software EnergyPlus tem se

mostrado uma ferramenta eficaz para simulações termo energéticas, permitindo retratar os

sistemas avaliados com operação muito próxima ao sistema real. Diante do expressivo

aumento e a consequente necessidade do controle do consumo de energia elétrica pelo setor

residencial, este trabalho propões analisar a viabilidade técnica e econômica do projeto de

eficiência energética em unidades consumidoras “baixa renda”, que realiza na troca de

refrigeradores antigos e ineficientes por refrigeradores novos com volume interno de

armazenamento de 300 litros e Selo Procel classe A no consumo de energia elétrica, a

substituição de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas de 20W e a

economia de energia de uma edificação residencial com a melhoria da sua envoltória. Desta

forma, foi modelada uma edificação tipo no EnergyPlus, e realizada a simulação com o

refrigerador e lâmpadas, antes e após o processo de substituição, para estimativa do consumo

de energia elétrica ativa e da demanda de potência ativa. Com base nesta estimativa de

redução de consumo e de demanda, foi calculada a relação Custo-Benefício do projeto pela

simulação computacional e pelo método convencional, estipulado pelo Manual de Eficiência

Energética da Aneel. Foi determinado o nível de eficiência energética de uma casa popular

tipo, segundo o Método Prescritivo do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de

Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R). Também foi proposta uma nova

modalidade de projeto de eficiência energética voltada para a melhoria da envoltória de

residências, avaliando o impacto na redução do consumo e demanda de potência ativa e sua

relação Custo-Benefício.

Palavras-chave: Eficiência elétrica, retrofit, relação custo-benefício, EnergyPlus, RTQ-R.

11

ABSTRACT

LIMA, L. O. S. Analysis of the cost-effectiveness of energy efficiency project in the

residential sector. 2014. 141f. Dissertation (Masters in Environmental Engineering and

Buildings ), Faculty of Architecture, Engineering and Technology, Federal University of

Mato Grosso, Cuiabá, 2014.

In electrical efficiency projects , which involves the exchange of conventional equipment with

efficient , there is the difficulty of estimating the consumption of active power and active

power demand before and after project implementation . However , EnergyPlus software has

proven an effective tool for simulations energy term , allowing portray the systems evaluated

with very close to the real system operation. Given the significant increase and the consequent

need to control the power consumption by the residential sector , this paper proposes to

analyze the technical and economic feasibility of the project on energy efficiency in consumer

units "low income " , which performs the exchange of old and inefficient refrigerators for

with new internal storage volume of 300 liters and Procel class A in energy consumption ,

replacing incandescent bulbs with compact fluorescent lamps and 20W energy saving of a

residential building with improved envelope their refrigerators . Thus , one type building was

modeled in EnergyPlus , and performed the simulation with the cooler and lamps before and

after the replacement process for estimating consumption of active power and active power

demand . Based on this estimated reduction of consumption and demand, the cost - benefit

ratio of the project by computer simulation and by the conventional method stipulated by the

Energy Efficiency Manual Aneel was calculated . The level of energy efficiency of a popular

house type was determined according to the Prescriptive Method Quality Technical

Regulation for the Level of Energy Efficiency of Residential Buildings (RTQ-R) . A new type

of energy efficiency project aimed at improving the envelope of residences were also

proposed for assessing the impact on reducing consumption and demand of active power and

its cost-effectiveness .

Keywords : Electrical efficiency, retrofit, cost-benefit ratio, EnergyPlus, RTQ-R.

12

1 INTRODUÇÃO

O crescente aumento do consumo de energia elétrica e a sua utilização de modo

racional tem sido um tema recorrente e considerado em vários documentos nacionais e

internacionais. Além, é claro, das discussões envolvendo as limitações dos recursos

energéticos, juntamente com os grandes impactos ambientais decorrentes de projetos para

obtenção de energia elétrica (PÉREZ-LOMBARD, ORTIZ e POUT, 2008).

Devido a todos esses fatores associados, têm sido inevitável a ocorrência de crises no

setor energético por todos os continentes. Buscando atenuar essas crises, muitos países têm

diversificado suas matrizes energéticas, objetivando atender à crescente demanda, sem perder

o foco do menor comprometimento possível do meio ambiente.

O Brasil possui uma matriz de geração de energia elétrica predominantemente

renovável, onde a geração interna hidráulica, incluindo a importação de eletricidade,

respondeu por 76,9% da oferta para o ano de 2012, seguida pela biomassa com 6,8%, e gás

natural com 7,9%. As outras fontes totalizam 7,1% (EPE, 2013a).

Embora as usinas hidrelétricas forneçam energia limpa e renovável, sua implantação

tem elevado impacto ambiental, oriundo da necessidade de inundação de grandes áreas e

possível deslocamento de pessoas (ARAÚJO, MARTINS, et al., 2012).

Em 2012, o consumo anual de energia elétrica no Brasil foi de 498,1 TWh,

representando um acréscimo de 3,5% em relação ao ano anterior. Este crescimento do

consumo de energia elétrica foi liderado pelos setores comercial (7,9%) e residencial (5,0%)

(EPE, 2013b).

A expansão do consumo do setor residencial se deve em grande parte ao

desenvolvimento do Programa Luz para Todos, que fechou o ano de 2012 com a inclusão de

mais de 3 milhões de residências (EPE, 2013b).

A Figura 1 apresenta o consumo percentual e energia elétrica no Brasil por setor, para

o ano de 2012.

13

Figura 1 – Consumo percentual de energia elétrica no Brasil por setor

Fonte: Adaptado de (EPE, 2013b).

É interessante ressaltar que mesmo que o consumo de energia elétrica no setor

industrial seja de 41%, a participação dos setores residencial e comercial totalizam 44%, ou

seja, mais da metade da energia consumida no país.

Com uma fatia de 26% do consumo de energia elétrica nacional, o setor residencial é

um dos que mais contribuem no consumo final de energia elétrica no país, sendo o foco deste

trabalho. Segundo (EPE, 2013b), este setor cresceu cerca de 5% no último ano, influenciado

pelo crescimento e estabilidade financeira, aumento do poder aquisitivo devido à estabilidade

econômica do país, que resultou na multiplicação do número de equipamentos

eletrodomésticos por residência. A estes fatores, pode-se ainda acrescer o impacto da

implantação de novos conjuntos habitacionais e edificações de interesse social, além da

mudança dos padrões de utilização dos moradores.

A evolução do consumo de energia do setor residencial para a década de 2002 a 2012

pode ser observada na Figura 2.

Figura 2 – Consumo anual de eletricidade do setor residencial (TWh)


14

Entretanto, nem sempre o sistema de geração de energia elétrica acompanha o ritmo da

demanda de energia elétrica, criando uma forte crise no setor, como ocorreu em 2001, onde

baixos investimentos no setor energético acrescidos de um ciclo hidrológico deficitário

ocasionaram um grave racionamento energético, marcando este período tenebroso como

“Apagão” (TOLMASQUIM, 2000).

Na iminência desta adversidade, foram consideradas várias medidas para racionalizar

o uso da energia elétrica. Uma delas foi a aprovação da lei nº 9.991, de 24 de julho de 2000,

estabelecendo a realização de investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em eficiência

energética por parte das empresas concessionárias, permissionárias e autorizadas do setor de

energia elétrica, ordenando que 0,75% de sua receita operacional líquida fosse anualmente

empregada em pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico e, no mínimo, 0,25% em

programas de eficiência energética no uso final (BRASIL, 2000).

Outra medida importante foi a sanção da lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001, que

dispõem sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e dá outras

providências quanto aos limites máximos de consumo de energia dos equipamentos elétricos

fabricados ou comercializados no país (BRASIL, 2001).

Entre os planos de eficiência energética que estavam em vigor antes da crise

energética, distinguiu-se o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), criado em 1984 e

coordenado pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial

(INMETRO) Com o objetivo de promover a interação entre governo e fabricantes de

equipamentos, estabelece metas para o aumento da eficiência energética destes produtos,

informando ao consumidor sobre os produtos com maior eficiência da categoria (INMETRO,

2012a).

No setor de edificações, em virtude do seu alto consumo de energia e inércia para

incorporar mudanças, foi sentida a necessidade de mecanismos para sistematizar sua

eficiência, culminando na criação do regulamento e da certificação do desempenho energético

de edifícios. Enquanto o regulamento tem caráter normativo e estabelece limites no consumo

de energia, a certificação é um instrumento voltado para o mercado, cujo principal objetivo é

promover padrões mais elevados de comportamento energético do que os regulamentados

(CASALS, 2006).

Em 2009 foi lançado o Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência

Energética de Edifícios Comerciais, de serviços e Públicos (RTQ-C), enquanto que o

Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética em Edificações

Residenciais (RTQ-R) foi emitido em 2010, sob a Portaria do Inmetro nº 449, atualizado pela

15

Portaria n.º 18, de 16 de Janeiro de 2012. O RTQ-R estabelece parâmetros para a definição do

nível de eficiência de edificações residenciais para a obtenção da Etiqueta Nacional de

Conservação de Energia (ENCE) (INMETRO, 2012b).

Diante do expressivo consumo de energia elétrica pelo setor residencial, este trabalho

busca avaliar a viabilidade econômica do projeto de eficiência elétrica em unidades

consumidoras “baixa renda”, que propõem a troca de refrigeradores antigos e ineficientes por

refrigeradores de 300 litros novos, com o Selo Procel classe A no consumo de energia

elétrica, e a substituição de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas

de 20W e a economia de energia de uma edificação residencial com a melhoria de sua

envoltória.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Geral

Modelar uma edificação tipo no EnergyPlus, realizar a simulação do refrigerador e

lâmpadas antes e após o processo de substituição e calcular a relação Custo-Benefício do

projeto utilizando a estimativa de consumo e de demanda da edificação obtida através da

simulação computacional e pelo método convencional, estipulado pelo Manual de Eficiência

Energética da Aneel.

Os seguintes objetivos específicos foram estabelecidos:

a) Medir uma amostra de lâmpadas e refrigeradores, convencionais e eficientes,

segundo o plano de amostragem definido pela norma NBR 5426, com regime

de inspeção severa, Nível I;

b) Calcular a redução do consumo anual de energia elétrica ativa e demanda de

potência ativa devido ao processo de substituição dos refrigeradores antigos

por refrigeradores selo Procel e de lâmpadas incandescentes por lâmpadas

fluorescentes compactas;

c) Determinar o nível de eficiência da casa popular tipo, segundo o método

prescritivo do RTQ-R;

d) Avaliar o impacto na redução na estimativa do consumo e demanda de

potência ativa com a melhoria da envoltória de uma casa popular, modelada no

EnergyPlus, segundo proposto pelo RTQ-R.

16

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO

Esta dissertação foi concebida em seis capítulos, sendo o primeiro capítulo intitulado

Introdução, no qual é abordada a introdução sobre o tema, apresentando a problemática,

justificativas e objetivos geral e específico que motivaram essa pesquisa, bem como sua

delimitação.

O segundo capítulo, Referencial Teórico, traça o cenário mundial, brasileiro e regional

do consumo energético do setor residencial e da eficiência energética aplicada às edificações,

bem como seu histórico e legislação.

O terceiro capítulo, Simulação Computacional da Viabilidade Econômica da

Substituição de Lâmpadas e de Refrigeradores, relata os procedimentos para a simulação

computacional de uma edificação tipo para obtenção da estimativa de consumo e de demanda

e o cálculo da Relação Custo-Benefício do projeto.

O quarto capítulo, Medição e Verificação de Desempenho, apresenta os aparelhos

utilizados na medição e os resultados das medições realizadas em uma amostragem de

refrigeradores e lâmpadas, convencionais e eficientes, além do cálculo da redução de

consumo e de demanda.

O quinto capítulo, Avaliação da Relação Custo-Benefício para a Melhoria da

Envoltória da Edificação, expõe a simulação computacional de uma casa popular. Avalia

também a redução do consumo de energia elétrica ativa com o aprimoramento da envoltória,

segundo proposto pelo RTQ-R.

O sexto capítulo, foi dedicado às considerações finais da presente pesquisa. Além

disso, dispõe sobre as propostas de trabalhos futuros e sugestões relativas ao tema que possam

promover o uso racional da energia elétrica.

17

2 REFERENCIAL TEÓRICO

O presente capítulo tem como objeto apresentar a revisão bibliográfica e

contextualizar esta pesquisa e os conhecimentos envolvidos com o tema proposto, que é a

eficiência energética no setor residencial.

2.1 ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL E NO MUNDO

A energia elétrica é um bem fundamental da sociedade moderna, e o seu consumo

pode ser utilizado como um dos indicadores de desenvolvimento econômico e do nível de

qualidade de vida de uma população. O seu crescimento retrata tanto a evolução dos setores

industrial, comercial e de serviços, quanto à capacidade da população em adquirir bens e

serviços que alavancam este crescimento (ANEEL, 2008a).

Na Figura 3 é ilustrada a série histórica do consumo de eletricidade anual per capta

(por pessoa) das principais economias mundiais, incluindo o Brasil, desde o ano de 1971 até

2010. Enquanto os Estados Unidos desponta na liderança, com um elevado consumo anual

per capta, o Brasil perdeu sua posição para a China, país superpopuloso e que tem expandido

seu consumo energético devido à industrialização em ampliação e desenvolvimento do país.

Figura 3 – Histórico de consumo anual de energia elétrica per capta

Fonte: Adaptado de (THE WORLD BANK, 2014).

A Figura 4 apresenta a estrutura da oferta interna de eletricidade no Brasil por fonte

em 2011 (EPE, 2013a). Observa-se a predominância da geração hidráulica, compondo mais

de 80% da matriz de geração de energia elétrica brasileira.

18

Figura 4 – Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte em 2011

Fonte: Adaptado de (EPE, 2013).

O consumo de energia no Brasil não ocorre de forma uniforme, devido às diversidades

regionais, como dimensão territorial, densidade demográfica, nível de industrialização, dentre

outros. Diante disto, a região Sudeste se destaca no consumo de energia elétrica, em um

patamar muito à frente das demais regiões, seguida de longe pelo consumo das regiões Sul e

Nordeste, acompanhados pelas regiões Centro-Oeste e Norte, como ilustra a Figura 5.

Figura 5 – Consumo total de energia elétrica por região geográfica


2.2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA: CONCEITUAÇÃO E HISTÓRICO

Hordeski (2005) define eficiência como a eficácia de equipamentos que operam em

ciclos ou processos produzirem os resultados esperados. Porém, em um conceito mais amplo,

a eficiência energética pode ser entendida como a utilização racional de energia, evitando o

19

desperdício, podendo ser alcançada através da mudança de comportamento e da utilização de

equipamentos que consumam menos energia (EPE, 2010).

Com a crise do petróleo na década de 70, ficou evidente que as reservas fósseis teriam

custos monetários e ambientais cada vez maiores. Por isso, a eficiência no uso da energia, em

especial a elétrica, tem se tornado um assunto muito discutido no mundo. Em pouco tempo se

notou que o mesmo “serviço de energia” (iluminação, força motriz, equipamentos

eletroeletrônicos, etc.) poderia ser realizado com menor gasto de energia. Os equipamentos e

hábitos de uso foram analisados sob o ângulo da eficiência energética, onde foi verificada sua

viabilidade econômica.

A utilização de equipamentos e hábitos que acarretam menor consumo de energia,

resultando o mesmo serviço prestado, foi chamada de Medidas de Eficiência Energética

(MEE) (Machado, 2002).

Dentre os programas de eficiência energética que o Brasil possui, na área da energia

elétrica, destacam-se:

a) Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE): Criado em 1984, inicialmente de

caráter voluntário, realiza testes em produtos, classificando-os em uma escala

de nível de desempenho, incentivando o aprimoramento constante dos mesmos

(INMETRO, 2012a).

b) Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL): Criado em

1985, com atuação inicial marcada pela publicação e distribuição de manuais

destinados à conservação de energia elétrica entre vários setores sociais.

Em 24 de julho de 2000, foi promulgada a Lei n° 9.991, que regulamenta a

obrigatoriedade de investimentos em programas de eficiência energética no uso final por parte

das empresas brasileiras distribuidoras de energia elétrica. A Lei consolidou a destinação de

um montante importante de recursos para ações de Eficiência Energética, o chamado

Programa de Eficiência Energética (PEE) das Concessionárias de Distribuição de Energia

Elétrica, totalizando mais de dois bilhões de reais em investimentos realizados ou em

execução (MME, 2011).

Em 2005, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) estabeleceu o

direcionamento de pelo menos 50% dos recursos desse programa para o uso eficiente de

energia junto a consumidores residenciais de baixa renda (adequação de instalações elétricas

internas das habitações, doações de equipamentos eficientes, entre outros). Em 2010, foi

promulgada a Lei n° 12.212, que alterou o percentual destinado aos consumidores de baixa

renda, para um mínimo de 60% (BRASIL, 2010).

20

2.3 SETOR RESIDENCIAL

Do ponto de vista do consumo, o setor residencial apresentou crescimento de 4,4% em

2011 em comparação a 2010. A Figura 6 traz um breve histórico do consumo anual de energia

elétrica por classe, onde o consumo denominado Público engloba iluminação pública,

serviços e poderes públicos, enquanto que Próprio refere-se ao consumo do setor energético.

Figura 6 – Consumo anual de energia elétrica por setor


Com quase 26% do consumo de eletricidade no Brasil, o setor residencial tem se

mostrado com um elevado potencial de economia de energia elétrica, na casa dos 28%, sendo

imprescindível a caracterização dos diferentes usos finais de energia deste setor (Almeida,

Schaeffer e Rovere, 2001).

Para avaliar o mercado de eficiência energético brasileiro, foi realizada em 2005 uma

pesquisa de âmbito nacional sobre Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso - Classe

Residencial (Eletrobrás e Procel, 2007). A Figura 7 apresenta o consumo final na carga

residencial do Brasil.

Figura 7 – Consumo final na carga residencial do Brasil

Fonte: Adaptado de (ELETROBRÁS e PROCEL, 2007).

21

A Figura 8 apresenta a distribuição do consumo final do setor residencial para a região

Centro-Oeste. Esta distribuição difere da média nacional devido a maior participação do

chuveiro elétrico e dos refrigeradores.

Figura 8 – Consumo final na carga residencial da região Centro-Oeste

Fonte: Adaptado de (ELETROBRÁS e PROCEL, 2007).

Em ambos os cenários, o chuveiro elétrico responde pelo maior consumo de

eletricidade, seguido pelos refrigeradores, condicionadores de ar e sistema de iluminação.

Mesmo com uma contribuição baixa para a média nacional, o consumo de eletricidade em

condicionadores de ar se mostra expressivo em regiões onde as temperaturas médias são mais

elevadas e/ou que apresentam maior renda per capita (BRASIL, 2007).

2.3.1 A Eficiência Energética no Plano Nacional de Energia

Buscando planejar o setor energético brasileiro em longo prazo, foi criado o Plano

Nacional de Energia 2030 (PNE 2030), constituído por séries de estudos que estabelecem

critérios úteis na formulação de políticas energéticas que estejam integradas com a

disponibilidade dos recursos. (BRASIL, 2007).

Conforme o PNE 2030, no estudo sobre o potencial de conservação de energia

elétrica, foi delineado três cenários de introdução de MEE, representados na Figura 9.

Figura 9 – Potenciais de conservação de energia

Fonte: Adaptado de (MME/EPE, 2007).

22

Segundo o PNE 2030, tem-se que:

a) Cenário Técnico: Determina o limite de penetração da MEE, devido à

substituição de todos os usos de energia avaliados por equivalentes, de acordo

com a tecnologia mais eficiente disponível, sem mensurar custos ou eventuais

impedimentos de sua implantação;

b) Cenário Econômico: Integra um subconjunto do Cenário Técnico que engloba

as MEE que possuem viabilidade econômica de implantação;

c) Cenário de Mercado: Este cenário é um subconjunto do Cenário Econômico

ao qual pertencem as MEE que naturalmente seriam inseridas por

proporcionarem redução de custos ao usuário (BRASIL, 2007).

Para a determinação do potencial de conservação de energia elétrica no setor

residencial foi realizado o levantamento dos usos finais mais representativos do consumo

neste setor e identificadas às tecnologias em uso e as alternativas mais eficientes disponíveis

no mercado nacional (EPE, 2006).

A Tabela 1 sintetiza o potencial de conservação de energia elétrica no setor residencial

segundo cada cenário.

Tabela 1 – Potencial de conservação no setor residencial

Uso Final Técnico Econômico Mercado

Refrigeração 13% 8% 2%

Condicionamento Ambiental 1,1% 0,6% 0,2%

Iluminação 7% 4% 1%

Aquecimento de água 11% 3% 2%

Total 32% 15% 6%

Fonte: Adaptado de (BRASIL, 2007).

O Cenário Técnico aponta a redução possível pelas tecnologias já disponíveis e deve

aumentar no horizonte do plano. O Econômico mostra a opção de expansão do sistema

retirando energia ao invés de acrescentar – com menor custo e sem impacto ambiental. O de

Mercado indica o que pode ser economizado por ação do consumidor. (EPE, 2006b).

2.4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES

A eficiência energética aplicada às edificações estabelece a combinação dos elementos

arquitetônicos com o meio ambiente do entorno da edificação, onde as necessidades dos

usuários são atendidas com a máxima utilização de recursos naturais e com o emprego de

equipamentos eficientes, reduzindo o consumo de eletricidade e evitando o desperdício

(LAMBERTS, DUTRA e PEREIRA, 1997).

23

Como um dos grandes responsáveis pelo consumo energético, o setor da construção

civil tem buscado nos últimos anos novas técnicas que visem reduzir o consumo de energia

elétrica das edificações (Fonseca, Rola e Freitas, 2011). Este consumo está relacionado aos

ganhos ou perdas de calor pela envoltória da edificação que, aliado à carga interna gerada pela

ocupação, uso de equipamentos e iluminação artificial, resultam no maior consumo dos

sistemas de condicionamento de ar, além dos próprios sistemas de iluminação e equipamentos

(CARLO, 2008).

2.4.1 Zoneamento Bioclimático

O zoneamento bioclimático foi proposto pela NBR 15220-3 (2005), que especifica a

divisão do território brasileiro em oito zonas relativamente homogêneas quanto ao clima e,

para cada uma destas zonas, formulou-se um conjunto de recomendações técnico-construtivas

que aperfeiçoam o desempenho térmico das edificações, através de sua melhor adequação

climática (ABNT, 2005a). Segundo a Figura 10, a cidade de Cuiabá-MT pertence à zona

Bioclimática 7 (Z7).

Figura 10 – Zoneamento bioclimático brasileiro

Fonte: (ABNT, 2005a)

24

A NBR 15220-3 (2005) estabelece ainda diretrizes construtivas e condições de

contorno relativas a aberturas, paredes e coberturas para cada zona bioclimática.

2.5 REGULAMENTO TÉCNICO DA QUALIDADE PARA O NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM

EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS (RTQ-R)

Dentre as medidas de eficiência energéticas adotadas no Brasil, merecem destaque os

regulamentos para eficiência energética em edificações, elaborados no contexto do Programa

Nacional de Eficiência Energética em Edificações (PROCEL Edifica), no ano de 2003

(PROCEL, 2006).

O Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios

Comerciais, de serviços e Públicos (RTQ-C) foi lançado em 2009, enquanto que o

Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética em Edificações

Residenciais (RTQ-R) foi emitido em 2010, sob a Portaria do Inmetro nº 449, atualizado pela

Portaria n.º 18, de 16 de Janeiro de 2012.

Os regulamentos estabelecem níveis mínimos de desempenho para a classificação do

nível de eficiência energética da edificação, onde após uma avaliação, a mesma recebe a

Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE). Atualmente, a obtenção da ENCE é de

caráter voluntário.

O RTQ-R especifica requisitos técnicos, bem como os métodos para classificação de

edificações residenciais quanto à eficiência energética, sem isentá-las do cumprimento das

normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) vigentes e aplicáveis. Busca

também criar condições para a etiquetagem do nível de eficiência energética de edificações

residenciais, excluindo-se as construídas até a publicação do mesmo (INMETRO, 2012b).

Como pré-requisito geral para a obtenção do nível máximo de eficiência, o

regulamento estabelece a medição individualizada de água e de energia elétrica, na existência

de mais de uma unidade habitacional no mesmo lote.

O processo para a determinação do nível de eficiência energética das edificações

residenciais consiste basicamente na avaliação do desempenho térmico da envoltória, na

eficiência dos sistemas de aquecimento de água acrescido das bonificações. A pontuação final

obtida é atribuída a uma classificação que varia do nível A (mais eficiente) até o nível E

(menos eficiente). O nível de eficiência de cada requisito equivale a um número de pontos

correspondentes, atribuídos conforme a Tabela 2, e a classificação do nível de eficiência é

realizada segundo a Tabela 3.

25

Tabela 2 – Equivalente Numérico (EqNum) para cada nível de eficiência

Nível de Eficiência EqNum

A 5

B 4

C 3

D 2

E 1

Fonte: Adaptado de (INMETRO, 2012b).

Tabela 3 – Classificação do nível de eficiência de acordo com a pontuação obtida

Nível de Eficiência EqNum

PT ≥ 4,5 A

3,5 ≤ PT < 4,5 B

2,5 ≤ PT < 3,5 C

1,5 ≤ PT < 2,5 D

PT < 1,5 E


A Pontuação Total (PT) do nível de eficiência da edificação é determinada por meio

da Equação (1), com o emprego dos coeficientes da Tabela 4, segundo a região geográfica na

qual a edificação se localiza.

PT a EqNumEnv 1-a EqNumAA Bonificações (1)

Onde:

a: coeficiente da Tabela 4 adotado de acordo com a região geográfica mapa político do

Brasil) na qual a edificação está localizada;

EqNumEnv: equivalente numérico do desempenho térmico da envoltória da unidade

habitacional autônoma quando ventilada naturalmente, após a verificação dos pré-requisitos

da envoltória;

EqNumAA: equivalente numérico do sistema de aquecimento de água;

Bonificações: pontuação atribuída a iniciativas que aumentem a eficiência da

edificação.

Tabela 4 – Coeficientes da equação (1)

Coeficiente Região Geográfica

Norte Nordeste Centro-Oeste Sudeste Sul

a 0,95 0,90 0,65 0,65 0,65


2.5.1 Envoltória

A envoltória compreende o conjunto de planos que separam o ambiente interno do

ambiente externo, excluindo-se pisos, mesmo que estejam em contato com o solo. O

regulamento estabelece pré-requisitos específicos da envoltória para a obtenção do nível

26

máximo de eficiência, onde o seu descumprimento implica no EqNum valer no máximo C,

quais sejam:

a) Transmitância, capacidade térmica e absortância das superfícies: Este pré-

requisito deve ser observado para ambientes de permanência prolongada,

segundo a Zona Bioclimática em que a edificação se localiza, de acordo com a

Tabela 5;

b) Ventilação Natural: Estabelece percentual de áreas mínimas para ventilação,

segundo a Zona Bioclimática em que a edificação está localizada. Para as

Zonas Bioclimáticas de 2 a 8, as edificações devem possuir ventilação cruzada;

c) Iluminação Natural: Acesso à iluminação natural nos ambientes de

permanência prolongada, onde a soma das áreas de aberturas para iluminação

natural de cada ambiente deve corresponder a no mínimo 12,5% da área útil do

ambiente.

Tabela 5 – Pré-requisitos de absortância solar, transmitância térmica e capacidade térmica para as diferentes

Zonas Bioclimáticas

Zona

Bioclimática Componente

Absortância solar

(adimensional)

Transmitância

térmica

[ ]

Capacidade Térmica

[ ]

ZB1 a ZB2 Parede Sem exigência U ≤ 2,5 CT ≥ 130

Cobertura Sem exigência U ≤ 2,3 Sem exigência

ZB3 a ZB6

Parede α ≤ 0,6 U ≤ 3,7 CT ≥ 130

α > 0,6 U ≤ 2,5 CT ≥ 130

Cobertura α ≤ 0,6 U ≤ 2,3 Sem exigência

α > 0,6 U ≤ 1,5 Sem exigência

ZB7

Parede α ≤ 0,6 U ≤ 3,7 CT ≥ 130

α > 0,6 U ≤ 2,5 CT ≥ 130



ZB8

Parede α ≤ 0,6 U ≤ 3,7 Sem exigência





O diagrama apresentado na Figura 11 esquematiza a implicação de observância ou não

dos pré-requisitos da envoltória.

27

Figura 11 – Pré-requisitos da envoltória


A avaliação do nível de eficiência energética da edificação pode ser realizada através

do Método Prescritivo e do Método de Simulação.

No Método Prescritivo, o desempenho térmico da envoltória da edificação é

determinado pelo seu equivalente numérico (EqNumEnv), estabelecido através de equações

de regressão múltipla, segundo a Zona Bioclimática em que se localiza.

Já no Método de Simulação, também são verificados os pré-requisitos de envoltória,

além de estabelecer outros específicos para a o Programa de simulação e o Arquivo climático,

além de definir condições a serem observadas para a modelagem da envoltória.

2.6 SUBGRUPOS E MODALIDADES TARIFÁRIAS

Cada unidade consumidora de energia elétrica imputa custos específicos de operação,

manutenção e expansão aos sistemas de distribuição e transmissão, em função de sua

localização elétrica e das características de uso da rede, em especial quanto ao horário do uso.

Porém, diante da inviabilidade de cálculo de tarifas individuais, as definições das tarifas são

realizadas em grupos, onde se busca definir um custo equivalente à representatividade do

grupo.

Os agrupamentos tarifários, denominados grupos e subgrupos tarifários, se

fundamentam na definição dos artigos 2º, 3º e 21 do Decreto 62.724 de 17 de maio de 1968

(BRASIL, 1968), que estabelece o agrupamento de consumidores por nível de tensão de

alimentação, sendo:

a) Grupo A: consumidores ligados em tensão igual ou superior a 2.300 volts;

28

b) Grupo B: consumidores ligados em tensão inferior a 2.300 volts.

Complementarmente, o art. 177 do Decreto nº 41.019 de 26 de fevereiro de 1957,

alterado pelos Decretos nº 75.887/1975 (BRASIL, 1975), e nº 86.463/1981 (BRASIL, 1981)

define as classes de tarifas das unidades consumidoras, que devem ser classificadas como:

a) Residencial;

b) Industrial;

c) Comercial, Serviços e Outras Atividades;

d) Rural;

e) Poderes Públicos;

f) Iluminação Pública;

g) Serviços Públicos;

h) Consumo Próprio.

Estabelece ainda que estas classes poderiam ser subdivididas e que não deve existir

distinção entre consumidores da mesma classe, com exceção das condições de fornecimento e

utilização da energia elétrica. A Figura 12 e a Figura 13 mostram as subdivisões do Grupo A e

do Grupo B, respectivamente.

Figura 12 – Grupo A

Fonte: Adaptado de (PROCEL, 2011)

29

Figura 13 – Grupo B


2.6.1 Postos Tarifários

Como a infraestrutura de redes de energia elétrica é dimensionada para o atendimento

das solicitações máximas dos consumidores, nos períodos de maior carregamento do sistema

os custos são maiores do que nos de menor. Com a intenção de atenuar a carga no horário de

pico, foram criados os postos tarifários, que são utilizados para sinalizar o uso adequado do

sistema e alocar aos consumidores de maior impacto, custos de acesso e utilização dos

sistemas mais elevados.

Atualmente, empregam-se dois postos tarifários, ponta e fora de ponta, empregados

apenas para os consumidores do Grupo A, nas modalidades tarifárias Horo Sazonal Verde e

Azul, como apresentado na Figura 14.

Figura 14 – Definição dos Postos Tarifários


30

2.6.2 Modalidades Tarifárias

As modalidades tarifárias disponíveis às unidades consumidoras enquadradas no

Grupo A são:

a) Modalidade tarifária convencional: Estrutura caracterizada pela aplicação de

tarifas de consumo de energia elétrica (kWh) e/ou de demanda de potência

(kW) independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano,

podendo ser aplicada como opção para unidades consumidoras atendidas em

tensão de fornecimento inferior a 69 kV, com demanda contratada inferior a

300 kW.

b) Modalidade tarifária Horo Sazonal Verde: é aplicada uma única tarifa de

demanda (kW) e as tarifas de consumo (kWh) variam conforme o horário do

dia e o período do ano, podendo ser aplicada opcionalmente para unidades

consumidoras atendidas em tensão inferior a 69 kV.

c) Modalidade tarifária Horo Sazonal Azul: as tarifas de demanda (kW)

variam de acordo com as horas de utilização do dia e as tarifas de consumo

(kWh) variam conforme o horário do dia e o período do ano, com aplicação

compulsória para unidades consumidoras atendidas em tensão ≥ 69 kV e

opcional para unidades consumidoras atendidos em tensão inferior a 69 kV.

A Figura 15 apresenta o esquema tarifário básico de cada modalidade.

Figura 15 – Esquema tarifário básico para as modalidades do Grupo A


31

Nota: Período Úmido: Período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo os

fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano seguinte.

Período Seco: Período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos

abrangidos pelas leituras de maio a novembro.

A diferenciação tarifária busca incentivar o deslocamento de parte da carga para os

horários em que o sistema elétrico estiver menos carregado e racionalizar o consumo de

energia para períodos do ano em que existir maior disponibilidade de água nos reservatórios

das usinas.

O Mercado Livre de Energia (ML) é o mercado em que os consumidores podem

escolher seu fornecedor de energia, negociando livremente um conjunto de variáveis como

prazo contratual, preços, variação do preço ao longo do tempo e serviços associados à

comercialização (VASCONCELLOS, CAMOLESI, et al., 2012).

Ao participar do ML o consumidor assume responsabilidades em relação à sua

exposição aos preços da energia, mas tem oportunidade de ser atendido de forma individual,

conforme suas características de consumo, o que é impossível no mercado cativo, que é o

suprimento via concessionária de energia elétrica.

2.6.3 Sistema de Bandeiras Tarifárias de Energia

Aprovado pela Resolução Normativa nº 435/2011, os Procedimentos de Regulação

Tarifária (PRORET) têm caráter normativo e consolida a regulamentação acerca dos

processos tarifários, propondo uma nova estrutura tarifária a entrar em vigor a partir de 2015.

Assim, as contas de energia contarão com o Sistema de Bandeiras Tarifárias, onde as

bandeiras verde, amarela e vermelha indicarão se a energia custará mais ou menos, em função

das condições de geração de eletricidade (ANEEL, 2014).

Buscando facilitar o entendimento deste novo sistema de tarifação, foram definidos os

anos de 2013 e 2014 como Anos Teste, onde em cunho educativo, as concessionárias de

energia elétrica faturam as unidades consumidoras na bandeira verde, enquanto a ANEEL

divulga mês a mês as bandeiras vigentes em cada um dos subsistemas que compõem o

Sistema Interligado Nacional (SIN). A Figura 16 ilustra como estão agrupados os

subsistemas.

32

Figura 16 – Divisão do Território do Brasil em Subsistemas

Fonte: Adaptado (ANEEL, 2014)

Onde:

Subsistema Sul (S): Região Sul;

Subsistema Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO): Regiões Sudeste e Centro-Oeste, Acre e

Rondônia;

Subsistema Norte (N): Pará, Tocantins e Maranhão.

Subsistema Nordeste (NE): Região Nordeste, exceto o Maranhão;

Os estados do Amazonas, Amapá e Roraima não integram o SIN e, portanto, nesses

estados não funcionará o sistema de Bandeiras Tarifárias.

Como a geração de energia elétrica no Brasil é predominantemente oriunda de usinas

hidrelétricas, as mesmas dependem das chuvas e do nível de água nos reservatórios. Porém,

quando existe pouca água armazenada, há a necessidade de usinas termelétricas serem

acionadas para economizar água nos reservatórios, o que onera o custo da geração. Entretanto,

quando há abundância de água armazenada, não há a necessidade de acionamento das usinas

térmicas, de forma que o custo de geração é menor.

Por isso, o sistema possui três bandeiras: verde, amarela e vermelha – as mesmas cores

dos semáforos, onde:

a) Bandeira verde: Condições favoráveis de geração de energia. A tarifa não sofre

nenhum acréscimo;

b) Bandeira amarela: Condições de geração menos favoráveis. A tarifa sofre

acréscimo de R$ 1,50 para cada 100 kWh consumidos;

33

c) Bandeira vermelha: Condições mais custosas de geração. A tarifa sobre

acréscimo de R$ 3,00 para cada 100 kWh consumidos.

2.7 ENERGYPLUS

O EnergyPlus nasceu a partir da junção das qualidades de dois programas, BLAST e

DOE-2, sendo utilizado para análise energética e simulação de carga térmica de edificações

(ENERGYPLUS, 2013a).

Foi desenvolvido para simulação de carga térmica, consumo de energia elétrica ativa,

estimativa de demanda de potência ativa, enquadramento tarifário e análise energética de

edificações e seus sistemas, além de integrar vários módulos que trabalham juntos para

calcular a energia requerida para aquecer ou resfriar um edifício usando uma variedade de

sistemas e fontes de energia.

Através da modelagem da edificação, abrangendo desde sua geometria, construção

física, sistemas de climatização, rotinas de ocupação, dentre outros, o programa estima o

consumo energético da edificação considerando as trocas térmicas e a carga térmica

necessária para manter o ambiente dentro dos limites de controle térmico. Possui vários

detalhes de simulação que permitem ao usuário verificar se a simulação está se comportando

como o edifício real.

Dentre suas principais funcionalidades, destacam-se:

a) Capacidade de simulação diferenciada (time-step sub-horário);

b) Integração de vários módulos que trabalham juntos para calcular a energia

requerida para aquecer ou resfriar um edifício;

c) Validação segundo testes propostos pela ASHRAE Standard 140 -2004;

(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers);

d) Modela 8.760 horas por ano;

e) Modela efeitos de inércia térmica;

f) Modela efeitos de multi-zonas térmicas;

g) Modela variações horárias de ocupação, potência de iluminação e equipamentos,

rede de ventilação natural e sistemas de condicionamento artificial, definidos

separadamente para cada dia da semana e feriados;

h) Simula as estratégias bioclimáticas adotadas no projeto;

i) É aceito para simulação do nível de eficiência energética de edificações para

obtenção da etiqueta de eficiência, segundo o RTQ-R e o RTQ-C.

34

j) Utiliza o arquivo climático da região a que pertence a edificação, que contém uma

série de dados meteorológicos, que melhor representam o clima da localidade

(RORIZ, 2012).

A seguir, serão descritos os procedimentos básicos para a realização de uma simulação

computacional utilizando o EnergyPlus.

2.7.1 Interface Inicial

A interface do EnergyPlus não é muito amigável ao usuário, uma vez que os seus

desenvolvedores concentraram seus esforços na elaboração das rotinas de simulação e

convergência dos modelos matemáticos, mas permite ao usuário utilizar ferramentas que o

auxiliem na definição da geometria da edificação como nos relatórios de saída de dados. O

programa possui duas interfaces básicas: o EP-Launch e o IDF Editor.

O EP-Launch é o gerenciador de simulação do EnergyPlus. Permite a simulação de

um único arquivo, ou um lote de arquivos. Possibilita ao usuário selecionar o arquivo de

entrada diretamente de uma lista de arquivos recentes ou da biblioteca de exemplos, bem

como a seleção do arquivo climático. Após a execução completa da simulação, reporta um

relatório de erros. Além disso, atua como um gerenciador de arquivos, abrindo o software

correspondente para qualquer um dos arquivos de entrada e de saída (U.S. DEPARTMENT

OF ENERGY, 2013).

A Figura 17 apresenta a tela do EP-Launch.

Figura 17 – Tela inicial do EnergyPlus

Fonte: A Autora.

35

O IDF Editor permite ao usuário criar ou editar arquivos de dados de entrada para o

EnergyPlus, com a extensão IDF. No IDF Editor qualquer objeto pode ser visualizado e

editado através de uma espécie de planilha eletrônica. Para alguns campos de entrada de

dados, é oferecida uma lista com várias opções de entrada. Porém, quando é uma entrada

numérica dentro de um intervalo de valores, é exibida a faixa de valores válidos. Fornece

automaticamente uma lista de nomes de objetos, quando um objeto precisa ser referenciado a

outro. Exibe todos os objetos do mesmo tipo um ao lado do outro, em uma grade, o que

facilita a visualização das entradas diferentes.

O IDF Editor gera um arquivo de entrada para o EnergyPlus com a devida sintaxe e

comentários para ajudar o usuário a entender os valores de entrada, além de converter as

unidades para o padrão do Sistema Internacional, compatíveis com EnergyPlus. Na Figura 18

é mostrada a interface inicial do IDF Editor.

Figura 18 – Parte da tela inicial do IDF Editor

Fonte: A Autora.

No IDF Editor, a área Lista de Classes permite acessar as diversas classes de objetos

para a entrada de dados sobre a localização da edificação, perfil de ocupação, sistemas de

climatização. Na área Comentário do IDF são fornecidas algumas informações sobre a classe

de objeto selecionada e na área Explanação do Objeto e do Campo Atual fornece informações

relativas aos objetos, que são as variáveis de entrada de dados.

A seguir será explanada a configuração básica de um arquivo de entrada e saída de

dados do EnergyPlus.

36

2.7.2 Versão (Version)

Especifica a versão do arquivo IDF, como ilustrado na. Note-se que as versões são

frequentemente significativas, não existindo garantia de que o arquivo antigo seja executado

nas versões mais recentes do programa. A Figura 19 apresenta a versão do software utilizado.

Figura 19 – Classe Version

Fonte: A Autora.

2.7.3 Construção (Building)

Esta classe descreve alguns parâmetros importantes, utilizados na simulação. A

variável Name é utilizada para identificação da edificação em estudo. A variável North Axis

indica em quantos graus a edificação está em relação ao norte magnético. A variável Terrain

define o tipo de terreno, que afeta o cálculo da distribuição de velocidades em torno da

edificação. As variáveis Loads Convergence Tolerance Value e Temperature

ANÁLISE DA RELAÇÃO CUSTO-BENEFÍCIO DE PROJETO ......LUCIANA OLIVEIRA DA SILVA LIMA ANÁLISE DA...

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