Casa Eficiente vol II, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Consumo e Geração de Energia

Casa Eficiente

volume 2

Florianópolis

UFsC

Consumo e Geração de Energia

Casa Eficiente:

Editores: Roberto Lamberts Enedir Ghisi Cláudia Donald Pereira Juliana Oliveira Batista

Casa Eficiente

A Universidade Federal de Santa Catarina possui longa tradição de ensino, pesquisa e extensão na área de uso racional de energia, envolvendo vários dos seus departamentos dentre os quais destacam-se a Engenharia Civil, Elétrica, Mecânica, e Arquitetura.

A Casa Eficiente é resultado de uma parceria entre a Universidade Federal de Santa Catarina, a ELETROSUL e a ELETROBRAS para a construção de um centro de demonstrações em eficiência energética.

Durante a metade de cada mês, por um período de dois anos, a Casa funcionou como laboratório possibilitando diversas pesquisas de doutorado, mestrado e iniciação científica. Na outra metade do mês a Casa funcionou como um centro de visitação, expondo ao público, em geral, novas referências em termos de uso eficiente e racional de energia.

Na Casa foram testadas diversas tecnologias ligadas ao aproveitamento da energia solar, adaptações ao clima local, uso eficiente de energia, coleta de água da chuva e sustentabilidade ambiental.

Nestes livros são apresentados os resultados de dois anos de pesquisa. Muitas outras publicações já foram realizadas em congressos e periódicos científicos e outras ainda estão por vir, frutos dos dados levantados pelo projeto e muitos dos quais integram teses e dissertações em andamento.

A Universidade Federal de Santa Catarina acredita que projetos como o da Casa Eficiente representam uma boa maneira de transmitir os conhecimentos gerados pela Universidade para a comunidade. Como instituição que se preocupa tanto em avançar a fronteira do conhecimento como também em disseminar o saber para a sociedade, participar do projeto da Casa Eficiente é altamente gratificante e recompensador.

prof. alvaro Toubes prata Reitor Universidade Federal de Santa Catarina

Sociedade eficiente e sustentável

Atuar nos mercados de energia de forma integrada, rentável e sustentável é a missão da Eletrobras, que norteia nossa visão de futuro, indicando nosso objetivo de ser, até 2020, o maior sistema empre- sarial global de energia limpa, com rentabilidade comparável às das melhores empresas do setor elétrico. Temos a convicção de que essa atuação rentável e sustentável passa pela questão da eficiência energética. Dessa maneira, a Eletrobras investe em pesquisa e desenvolvimento, já tendo inaugurado, inclusive, dois Centros de Eficiência Energética, ambos por meio do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel): um no Pará, em parceria com a Universidade Federal do Pará (UFPA), e outro em Minas Gerais, com a Universidade Federal de Itajubá.

Outro investimento feito na área é a parceria entre a Universidade Federal de Santa Catarina, a Eletrobras Eletrosul e a Eletrobras, que possibilitou a construção da Casa Eficiente, um centro de demons- trações em eficiência energética, localizado na sede da Eletrobras Eletrosul. Na casa, são testadas modernas técnicas de uso da energia solar para aquecimento, uso eficiente da água e da energia elétrica. Essa iniciativa, que está dentro das ações do Procel Edifica, mostra que a preocupação da Eletrobras com o uso correto e eficiente da energia, bem como com a sustentabilidade, é uma prática empresarial constante, e não apenas discurso.

A Eletrobras acredita que energia mais barata é a utilizada com eficiência e que as boas práticas de eficiência energética devem ser disseminadas na sociedade, a fim de que todas as pessoas saibam valorizar o uso racional da energia elétrica e tragam o conceito de sustentabilidade para suas vidas cotidianas. A Casa Eficiente cumpre essa função pedagógica, indicando o futuro que a nação brasileira deverá trilhar. Um futuro que conjugue desenvolvimento com respeito ao meio ambiente. Igual à atuação da Eletrobras no Brasil e no mundo.

José antônio Muniz lopes Presidente da Eletrobras

Sumário

• PREFÁCIO..............................................................................................................................
• RESUMO ExECUTIVO
• 1. INTRODUÇÃO
• 2. INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DA CASA EFICIENTE........................................................
  • 2.1. O consumo dos equipamentos da Casa Eficiente.....................................................................
  • 2.2. O sistema de monitoramento da Casa Eficiente
• 3. SISTEMA DE AqUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA
     • 3.1. Argumentos para uso da energia solar para aquecimento.....................................................................
     • 3.2. Bases astronômicas e meteorológicas
     • 3.3. Aproveitamento térmico da energia solar.................................................................................
     • 3.4. Componentes do sistema de aquecimento solar de água
       • 3.4.1. Tipologias..................................................................................................................
       • 3.4.2. Coletor solar
       • 3.4.3. Reservatórios térmicos
       • 3.4.4. Sistema de aquecimento auxiliar
       • 3.4.5. Controles e acionamentos..........................................................................................
     • 3.5. Sistemas de aquecimento solar da Casa Eficiente
     • 3.6. Funcionamento dos sistemas de aquecimento solar da Casa Eficiente
       • 3.6.1. Diagrama de funcionamento e variáveis medidas nos sistemas de aquecimento solar.
       • 3.6.2. Testes de funcionamento dos sistemas
     • 3.7. Recomendações para continuidade dos experimentos
• 4. SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
     • 4.1. Energia solar fotovoltaica
       • 4.1.1. Células solares fotovoltaicas – tecnologias
       • 4.1.2. Módulo fotovoltaico
       • 4.1.3. Sistemas fotovoltaicos (SFV)
  • 4.2. Sistema Fotovoltaico da Casa Eficiente....................................................................................
    • 4.2.1. Desempenho do Sistema Fotovoltaico da Casa Eficiente
  • 4.3. Considerações Sobre o Uso de Sistemas Fotovoltaicos
• 5. ExPERIMENTOS DE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
  • 5.1. Perfis de Consumo de Energia Elétrica
  • 5.2. Análise Econômica
• 6. CONCLUSÕES
• REFERÊNCIAS.....................................................................................................................

5. ExPERIMENTOS DE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

Prefácio

Prefácio

A Casa Eficiente (Figuras 1 a 4), localizada em Florianópolis, SC, é resultado da parceria estabelecida entre a ELETROSUL, ELETROBRAS/PROCEL Edifica e a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), através do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (LabEEE). Em setembro de 2002, técnicos da ELETROSUL e da ELETROBRAS iniciaram a avaliação de alternativas de inves- timento em projetos de eficiência energética na construção civil, uma vez que mais da metade do consumo da Energia Elétrica no Brasil se dá nas edificações (BRASIL, 2007), justificando-se a necessidade de investimentos neste setor. Com a criação do Procel Edifica pela ELETROBRAS/ PROCEL em 2003, criou-se uma oportunidade para a atuação conjunta de setores como universidades, centros de pesquisa e entidades das áreas governamental, tecnológica, econômica e de desenvolvimento, em benefício da promoção do uso racional da energia elétrica em edificações. Paralelamente, as negociações entre a ELETROSUL, ELETROBRAS/PROCEL e a UFSC evoluiram, até que, em maio de 2004, foi assinado um convênio de cooperação técnica para a construção da Casa Eficiente, incluindo também ações de marketing e divulgação, destacando-se a criação do site www.eletrosul.gov.br/ casaeficiente. O projeto arquitetônico da Casa Eficiente (Figuras 5 a 8) foi concebido pelas arquitetas Alexandra Maciel e Suely Andrade como uma vitrine de tecnologias de ponta, contando com a colaboração de pesqui- sadores do LabEEE, da Universidade Federal de Santa Catarina. A Casa Eficiente reúne diversas estratégias de adequação climática, com o aproveitamento da ventilação e da luz natural, adotadas como alternativas ao uso da refrigeração e iluminação artificiais. Conta ainda com aproveitamento da energia solar térmica para aquecimento de água e da energia solar luminosa para a geração de eletricidade através de um painel fotovoltaico interligado à rede. Visando a redução do impacto ambiental e o uso eficiente da água, a Casa Eficiente utiliza água da chuva para fins não potáveis (máquina de lavar roupas, vaso sanitário, tanque e torneira externa). Além disso, ela possui um sistema de reúso de águas, no qual os efluentes recebem tratamento biológico por zona de raízes, as águas negras tratadas são encaminhas para a rede coletora e as águas cinzas tratadas são armazenadas para uso na irrigação do jardim da Casa.

FIGURA 1 – Vista Sudoeste da Casa.

FIGURA 2 – Vista Sudeste da Casa.

(^10) Casa Eficiente | Volume II

PREFÁCIO..............................................................................................................................

FIGURA 3 – Vista Nordeste da Casa. FIGURA 4 – Vista Noroeste da Casa.

FIGURA 5 – Planta baixa da Casa Eficiente – pavimento térreo.

(^12) Casa Eficiente | Volume II

Prefácio

FIGURA 8 – Corte BB.

A concepção do projeto das instalações prediais da Casa Eficiente contemplou, além dos objetivos de sustentabilidade (eficiência energética e uso racional da água), a necessidade de flexibilidade de operação, de manutenção e de seu funcionamento como um laboratório de pesquisa. Contemplou ainda, a necessidade de proporcionar, de maneira didática, a visitação para divulgação dos conceitos adotados, ou seja, além de ser um laboratório é também uma vitrine tecnológica.

Em 29 de março de 2006 a Casa Eficiente foi inaugurada e aberta à visitação, constituindo-se em um espaço destinado à sensibilização pública, objetivando demonstrar como as soluções de projeto podem favorecer o uso eficiente da energia elétrica e da água nas edificações residenciais, reduzindo desperdícios e impactos sobre o meio ambiente.

Considerando-se a Casa Eficiente como um instrumento com potencial para a promoção do desen- volvimento científico e tecnológico, em junho de 2006, foi assinado outro convênio, criando-se o LMBEE

• Laboratório de Monitoramento Bioclimático e Eficiência Energética. Para tal, a Casa Eficiente foi equipada com um amplo sistema de monitoramento termo-energético, desenvolvido pelo Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas (LMPT/UFSC), além de uma estação meteorológica própria.

O LMBEE, formado por uma equipe de pesquisadores da UFSC, desenvolveu experimentos quinzenais na Casa Eficiente nos anos de 2007 e 2008. Nesses dois anos, a Casa foi submetida a um revezamento quinzenal entre as atividades de pesquisa (experimentos controlados) e de visitação pública. Estes experi- mentos destinaram-se a verificar o desempenho termo-energético da edificação e a eficácia das estratégias de uso racional da água incorporadas ao projeto. Os experimentos foram conduzidos por três grupos de trabalho (GTs): GT-1, Eficácia das estratégias de condicionamento ambiental; GT-2, Potencial de geração solar fotovoltaica interligada à rede elétrica de distribuição e GT-3, Uso racional da água.

Após dois anos e meio de atividades do LMBEE, a ELETROSUL, a ELETROBRAS/PROCEL Edifica e o LabEEE/UFSC apresentam ao público os resultados das pesquisas desenvolvidas na Casa Eficiente, reunidos em quatro publicações técnicas, abordando as seguintes temáticas:

:: 1. Bioclimatologia e Desempenho Térmico. :: 2. Consumo e Geração de Energia. :: 3. Uso Racional da Água. :: 4. Simulação Computacional do Desempenho Termo-Energético.

Consumo e Geração de Energia 13

Prefácio

As publicações 1, 2 e 3 foram elaboradas com base no monitoramento das diferentes estratégias e tecnologias empregadas na Casa Eficiente. Já a publicação 4 apresenta os resultados das simulações computacionais realizadas, tanto na fase de projeto quanto após a construção da Casa, possibilitando análises detalhadas do desempenho termo-energético da Casa Eficiente.

É objetivo de todos os parceiros envolvidos neste empreendimento divulgar as lições aprendidas com os trabalhos realizados na Casa Eficiente, a fim de que este projeto cumpra de modo efetivo seu papel de instrumento disseminador de conceitos e boas práticas no setor da construção civil.

Consumo e Geração de Energia 15

RESUMO ExECUTIVO

Resumo executivo

A Casa Eficiente foi concebida seguindo princípios como o uso racional da energia elétrica e o baixo impacto ambiental. Esses pontos nortearam todas as decisões de projeto, no sentido de alcançar a máxima eficiência energética. Com relação ao projeto elétrico, essa busca pode ser percebida desde a definição da ilumi- nação, com o aproveitamento da iluminação natural, a escolha de equipamentos e eletrodomésticos com efici- ência energética atestada pelo selo PROCEL, e a inserção de fontes alternativas de energia, como a energia solar. Com relação ao aquecimento de água, verifica-se que a energia solar tem sido usada para esse fim no Brasil, principalmente no setor residencial de renda média e alta, porém em apenas uma parcela pequena das residências apesar do grande potencial existente. A Casa Eficiente possui dois sistemas de aquecimento solar, tendo, em cada uma das suas coberturas laterais, dois coletores solares planos responsáveis pelo aquecimento da água utilizada na residência. Um dos sistemas faz o aquecimento da água para consumo (banho e lavatórios), e o outro aquece a água utilizada para aquecimento ambiental dos quartos. Além de aquecer água, a energia solar pode também ser convertida diretamente em eletricidade. Esta aplicação, muito difundida em vários países, é realizada através do chamado “efeito fotovoltaico”. Para tal uso, a Casa Eficiente possui um painel fotovoltaico, localizado na cobertura central da residência, respon- sável pela transformação de energia solar em energia elétrica para abastecer a residência. Essa geração de energia, iniciada em julho de 2006, vêm sendo monitorada desde então. Esta publicação apresenta estudos realizados a partir dos equipamentos e sistemas existentes na Casa Eficiente. Foram utilizados tanto dados reais, medidos na edificação, quanto dados estimados pela pesquisa. Os estudos aqui apresentados indicam que a energia solar apresenta significativo potencial para utilização em residências no Brasil. A geração fotovoltaica da Casa Eficiente se mostrou suficiente para suprir todo o seu consumo durante o período diurno em dias com céu sem nuvens e sol aparente, e ainda fornecer energia para a rede elétrica. No caso de dias nublados, a geração fotovoltaica supre parcialmente o consumo da Casa, sendo necessário utilizar a energia da rede como complemento. Tendo em vista que a Casa Eficiente não é ocupada por moradores e por isso tem baixo consumo de energia durante todo o dia, para comparar a geração de energia do sistema fotovoltaico com o consumo de uma família, foram realizadas estimativas com diferentes padrões de uso, simulando a ocupação da Casa. Tais estimativas destacaram a importância da escolha de equipamentos eficientes e da adoção de hábitos de consumo conscientes por parte dos usuários. Sendo ocupada por usuários conscientes, e utilizando equipa- mentos eficientes, a Casa teria sua demanda totalmente atendida pela geração de energia do sistema fotovoltaico. Através das pesquisas realizadas, verificou-se o grande potencial de economia no consumo de energia elétrica a partir do uso da energia solar, tanto para geração de energia quanto para aquecimento de água, e da adoção de equipamentos e hábitos eficientes. Os resultados da Casa Eficiente apontam que, tendo em vista a adoção de equipamentos eficientes e a adoção de hábitos conscientes por parte dos usuários, ela poderia ser considerada como Zero Energy Building (ZEB). Isso significa que a quantidade de energia gerada no local, através de uma fonte renovável de energia, é igual ou superior à quantidade que seria consumida na edificação.

(^18) Casa Eficiente | Volume II

Introdução

Público; 8,7%

Industrial; 46,7% (^) Residencial; 22,2%

Comercial; Agropecuário; 14,3% 4,2%

Setor Energético; 3,6%

Transportes; 0,3%

FIGURA 1.2 – Consumos setoriais de energia elétrica referentes a 2005 (ELETROBRAS; PROCEL, 2007).

Ar-condicionado 20%

Chuveiro 24%

TV 9% Som Ferro 3% 3%

Geladeira 22%

Freezer 5%

Lâmpadas 14%

FIGURA 1.3 – Participação dos eletrodomésticos no consumo de eletricidade das residências brasileiras referente a 2005 (ELETROBRAS; PROCEL, 2007).

Tal Distribuição de consumo por usos finais não é constante em todas as regiões do Brasil. Observando os gráficos da Figura 1.4 é possível verificar, por exemplo, que o consumo com ar-condicionado na Região Norte é bem superior ao verificado na Região Sudeste. Já o consumo com chuveiro elétrico é baixo na Região Norte e bem mais elevado nas Regiões Centro-Oeste, Sudeste e Sul.

Em 2001, o Brasil sofreu a consequência do descompasso entre o grande crescimento no consumo e o pequeno crescimento da capacidade instalada. O país passou por um racionamento de energia elétrica, pois, segundo Tolmasquim (2000), a expansão do sistema elétrico (investimentos em geração e trans- missão de energia) não acompanhou a elevação do consumo.

A preocupação com essa questão colocou em foco a busca por eficiência energética, tendo em vista não apenas as questões econômicas, mas também a qualidade do ambiente para o usuário e a redução de impactos ambientais. Para Lamberts et al. (2004), um edifício é considerado energeticamente mais eficiente que outro quando proporciona as mesmas condições ambientais de conforto ao seu usuário, com menor consumo

Consumo e Geração de Energia 19

Introdução

de energia. Para Oliveira e Sá Júnior (1998) esse crescimento rápido e mal planejado da produção e do consumo energético implica sérios impactos ambientais. Sendo assim, algumas medidas deveriam ser incentivadas a fim de conscientizar a população sobre os benefícios da utilização eficiente dos recursos energéticos.

Chuveiro 2% Lâmpadas 14%

Geladeira 25%

Freezer 4%

Ar-condicionado 40%

TV 9% Ferro 3%

Som 3%

(a)

Chuveiro 9% Ar-condicionado27% Lâmpadas 11% Freezer 5%

Geladeira 29% Ferro3%

Som 5%

TV 11%

(b)

Lâmpadas 11,9% Freezer 3,5%

Geladeira 23,4% (^) Ferro 2,6%

Som 6,5%

TV 7,2%

Ar-condicionado 17,6%

Chuveiro 26,6%

Microondas Lava Roupa0,5% 0,1%

(c)

Chuveiro 26%

Ar-condicionado Lâmpadas19% 11%

Lava Roupa 1%

Freezer 5% Geladeira 22%

Ferro 3%

Som 3%

TV 10%

(d)

Lâmpadas 8%

Chuveiro 25%

Ar-condicionado Freezer 32% 7%

Geladeira 16% Ferro 2% Som 3%

TV 7%

(e)

FIGURA 1.4 – Participação dos eletrodomésticos no consumo de eletricidade das residências, de acordo com as Regiões do Brasil, referente a 2005 – (a) Norte, (b) Nordeste, (c) Centro-Oeste, (d) Sudeste e (e) Sul. (ELETROBRAS; PROCEL, 2007).