Determinação da Fatura de Energia Elétrica de Uma Unidade Consumidora Utilizando o Software Energyplus

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1 Determinação da Fatura de Energia Elétrica de Uma Unidade Consumidora Utilizando o Software Energyplus 1 Arnulfo Barroso Vasconcellos, Dr.; Fernando Novelo, Acad.; Luciana Oliveira da Silva, Eng.; Antônio Rafael de Melo Buosi, Acad.; Erika Tiemi Anabuki, Acad. Grosso - UFMT Teresa I. R. C. Malheiro, PhD. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso IFMT. 1 Resumo Através de um caso real, este artigo tem como objetivo, realizar um comparativo entre a estimativa da Fatura de Energia Elétrica pelo método Convencional e através da Utilização do Software Energyplus da Rádio e TV Senado, que estão instaladas nas dependências do Campus da Universidade Federal de Mato Grosso. No método Convencional, multiplica-se a Demanda de Potência Ativa média dos diversos tipos de equipamentos presentes na U.C. pelo tempo de utilização para o calculo do consumo de energia elétrica Ativa; Assim como, se soma a potência ativa de todos os equipamentos para a determinação da Demanda de Potência Ativa a ser contratada, sem levar em consideração as características da edificação, tais como, dimensões, espessura e cor da parede, tipo de cobertura, número de ocupantes do ambiente, condições climáticas da região, etc. Diferentemente de quando se utiliza o Energyplus para simulação de carga térmica, consumo de energia elétrica ativa, estimativa de demanda de Potência Ativa, enquadramento tarifário, que considera a condução de calor transiente através dos elementos do prédio como paredes, tetos, pisos, etc, usando funções de transferência; modelo de conforto térmico, baseado na atividade, temperatura de bulbo seco interna, umidade, entre outros. Palavras chaves Demanda, Consumo de Energia Elétrica, Energyplus, Mercado Cativo de Energia, Tarifação Energética, Legislação, Gerenciamento de Faturas Energéticas. O I. INTRODUÇÃO Energyplus é um programa computacional, criado a partir dos programas BLAST e DOE-2 e distribuído pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, desenvolvido para simulação de carga térmica, consumo de energia elétrica ativa, estimativa de demanda de Potência Ativa e o enquadramento tarifário mais adequado e a análise energética de edificações e seus sistemas. O programa possui capacidade de simulação diferenciada, tais como time-step de cálculo menor que uma hora, sistema modular, possibilidade de cálculo de infiltração de ar diferenciada para cada zona térmica, cálculo de índices de conforto térmico e integração com outros sistemas A. B. de Vasconcellos ( arnulfo@ufmt.br); F. Novelo ( fernando_novelo@hotmail.com); L. O. Silva ( xtialu@yahoo.com.br); A. R. M. Buosi (e;mail: miojo_4queijos@hotmail.com); E.T. Anabuki ( tiemitiemi@hotmail.com) T. I. R. C. Malheiro ( malheiro.teresa@gmail.com) (fotovoltaico, aquecimento solar, etc...). O programa Energyplus apresenta algumas características que o colocam à frente de diversos programas de simulações termo-energéticas, como: a) Solução simultânea e integrada em que a resposta do prédio e o sistema primário e secundário estão acoplados; b) Intervalos de tempos definidos pelo usuário, com fração de hora, para interação entre as zonas térmicas e o ambiente e intervalos de tempo variável para interação entre a zona térmica e o sistema HVAC (automaticamente variável para assegurar uma solução estável); c) Arquivos de entrada, saída e climática que incluem condições ambientais horárias ou sub-horárias (até um quarto de hora) e relatórios padrões reajustáveis pelo usuário; d) Técnica de solução baseada no balanço de energia para as cargas térmicas prediais, que permite o cálculo simultâneo dos efeitos radiante e convectivo na superfície interior e exterior, durante cada intervalo de tempo; e) Condução de calor transiente através dos elementos do prédio como paredes, tetos, pisos, etc, usando funções de transferência; modelo de conforto térmico, baseado na atividade, temperatura de bulbo seco interna, umidade; f) Modelo de céu anisotrópico para cálculos mais complexos da radiação difusa sobre superfícies inclinadas; g) Cálculo de balanço de calor de janelas que permite o controle eletrônico de persianas, balanço térmico camada por camada, o que permite a identificação do comprimento de onda da energia solar absorvida pelo vidro da janela; h) Possui uma biblioteca versátil com diversos modelos comerciais de janela; controle da luz do dia, incluindo cálculos da iluminância interior, controle dos brilhos das luminárias e do efeito da iluminação artificial; i) Sistemas de condicionamento de ar configuráveis, que permitem ao usuário simular sistemas típicos comuns e sistemas poucos modificados, sem ter que recompilar o código fonte do programa; entre outras. j) Permite a Simulação para determinar o Consumo de energia elétrica e a Demanda de Potência Ativa de uma Edificação com todos seus equipamentos internos e características construtivas. Além disso, o programa Energyplus integra vários módulos que trabalham juntos para calcular a energia requerida para

2 2 aquecer ou resfriar um edifício usando uma variedade de sistemas e fontes de energia. Ele faz isso simulando o edifício e os sistemas associados em diferentes condições ambientais e operacionais. A essência da simulação está no modelo do edifício que utiliza princípios fundamentais de balanço energético. Nesse contexto, o presente artigo apresenta os resultados obtidos através de simulações de faturamento de uma Edificação na qual estão instaladas a estação retransmissora da Rádio e TV Senado, dentro do Campus da Universidade Federal de Mato Grosso, através do método convencional e utilizando o Software Energyplus e analisando o valor da Fatura da Energia Elétrica da edificação obtidas da utilização de ambos os métodos. II. ESTIMATIVA DA FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA DA RÁDIO E TV SENADO ATRAVÉS DE EQUAÇÕES MATEMÁTICAS RELATIVAS À TARIFA HORO-SAZONAL VERDE Para fazer a estimativa de Consumo de Energia Elétrica Ativa e Demanda de Potência Ativa da Edificação onde estão instalados a Rádio e TV Senado foi realizado o levantamento das cargas instaladas mais significativas presentes no local e que estão descritas abaixo. 1. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica de um Condicionador O sistema de refrigeração da edificação é composto por três condicionadores de ar Split de BTU da marca Hitachi, modelo RAA 04B5S, série RAA que possui uma Demanda de Potência Ativa de 4,08 kw conforme dados de placa do fabricante Considerando que o Condicionador de ar funciona durante 30 dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3 horas por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas que é o horário de ponta da Unidade Consumidora onde está localizada a edificação da Rádio e TV Senado), que são característica da tarifa horo-sazonal verde da U. C. tem-se: 1.1. Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta O consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta foi calculado através da equação (1). CAP = Potência Ativa x N horas da Ponta x 22 Dias (1) CAP = 4,08 kw x 3 horas x 22 Dias CAP = 269,28 kwh/mês. Considerando que nas dependências onde estão instalados a Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de mesma Potência, portanto o consumo total de energia elétrica ativa mensal no horário de ponta será obtido através da equação 2: CAP = 3 x 269,28 kwh = 807,84 kwh/mês (2) 1.2. Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de ponta O Consumo de energia elétrica ativa no horário fora de ponta é obtido pela equação (3). CAFP = Potência Ativa x N horas fora de Ponta x 30 Dias (3) CAFP = 4,08 kw x 21 horas X 30 Dias CAFP = 2570,40 kwh/mês. Considerando que nas dependências onde estão instalados a Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de mesma Potência, o consumo total de energia elétrica ativa mensal no horário fora de ponta será obtido através da equação (4): CAFP = 3 x 2570,40 kwh = 7711,20kWh/Mês (4) 2. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de um transmissor de Rádio. O transmissor da rádio é da marca Teclar, modelo Tec 112, 3com potencia ativa de 5 kw, conforme dados de placa do fabricante. Considerando que o transmissor de Rádio funciona durante 30 dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3 horas por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas), o consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta é dado pela equação (5) e o consumo de energia elétrica ativa no horário fora de ponta por (6) Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta CAP = Potência Ativa x N horas da Ponta x 22 Dias (5) CAP = 5 kw x 3 horas x 22 Dias CAP = 330 kwh/mês Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de ponta CAFP = Pot. Ativa x N horas fora de Ponta x 30 Dias (6) CAFP = 5,0 kw x 21 horas x 30 Dias CAFP = 3150 kwh/mês. 3. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de um transmissor de TV da marca Telavo, do modelo RTV 10000T, de Potência Ativa de 10 kw conforme dados de placa do fabricante. Considerando que o transmissor de TV funciona durante 30 dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3 horas por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas) característica da tarifa horo-sazonal verde, o consumo na ponta e fora de ponta serão fornecidos através das equações 7 e 8 respectivamente: 3.1. Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta CAP = Potência Ativa x N horas da Ponta x 22 Dias (7) CAP = 10 kw x 3 horas x 22 Dias CAP = 660 kwh/mês.

3 Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de ponta CAFP = Pot. Ativa X N horas fora de Ponta X 30 Dias (8) CAFP = 10 kw x 21 horas x 30 Dias CAFP = 6300 kwh/mês. 4. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de 6 luminárias, sendo que cada luminária possui duas lâmpadas de 32W com reator eletrônico, funcionando em média 8 horas por dia no horário fora de ponta, utilizando a equação (9) 4.1. Consumo de Energia Elétrica Ativa no horário Fora de Ponta. CAFP = Potência Ativa x N horas fora de Ponta x 30 Dias (9) CAFP = 0,384 kw x 8 horas x 30 Dias CAFP = 92,12 kwh/mês. 5. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa Total nos horários de ponta e fora de ponta devido a todos os equipamentos relacionados acima: 5.1. Consumo de energia elétrica Ativa TOTAL no horário de ponta CATP = 807,84 kwh/mês kwh/mês kwh/mês CATP = 1.797,84 kwh/mês 5.2. Consumo de energia elétrica Ativa TOTAL no horário Fora de Ponta CATFP = 7711,20 kwh/mês kwh/mês kwh/mês + 92,12 kwh/mês. CATFP = ,32 kwh/mês 6. Demanda de Potência Ativa de um Condicionador de ar Split de BTU da marca Hitachi, modelo RAA 04B5S, série RAA , com uma Potência Ativa de 4,08 kw conforme dados de placa do fabricante Demanda de Potência Ativa D = 4,08kW Considerando que nas dependências onde estão instalados a Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de Ar de mesma Potência, então a demanda total de potência ativa será: D1 = 3 x 4,08 = 12,24kW 7. Demanda de potência ativa de um transmissor de Rádio da marca Teclar, modelo Tec 112, de Potência Ativa de 5 kw, conforme dados de placa do fabricante Demanda de Potência Ativa D2 = 5kW 8. Demanda de potência ativa de um transmissor de TV da marca Telavo, do modelo RTV 10000T, de Potência Ativa de 10kW conforme dados de placa do fabricante Demanda de Potência Ativa. D3 = 10 kw 9. Demanda de potência ativa de 6 luminárias, sendo que cada luminária possui duas lâmpadas de 32W com reator eletrônico. D4 = 0,384kW 10. Cálculo da demanda de potência Ativa total devido a todos os equipamentos relacionados acima: Demanda de Potência Ativa TOTAL: DT = D1 + D2 + D3 + D4 DT = 27,624 kw 11. Cálculo do valor do faturamento da edificação utilizando a modalidade tarifária horo-sazonal verde, tendo como base o consumo de energia elétrica ativa e a demanda de potência ativa solicitada pelos equipamentos utilizados pela Rádio e TV Senado. Os valores em Reais da energia em kwh e da demanda de potência ativa em kw, foram obtidos na RESOLUÇÃO HOMOLOGATÓRIA DA ANEEL, Nº 1.131, DE 5 DE ABRIL DE 2011 EM VIGOR DE 8 DE ABRIL DE 2011 A 7 DE ABRIL DE 2012, referentes a tarifa horo-sazonal verde. VF = [( CAP.TCP) + ( CAFP.TCFP) + ( DF.TD)].I (10) Onde: VF = Valor do faturamento CA P : Consumo de Energia Ativa no horário de Ponta CA FP : Consumo de Energia Ativa no horário Fora de Ponta DF: Demanda Faturável TC P : Tarifa de Consumo de Energia Elétrica Ativa no horário de Ponta: TC FP : Tarifa de Consumo de Energia Elétrica Ativa no horário Fora de Ponta T D : Tarifa de Demanda I: Imposto (ICMS + COFINS + PIS) Considerando o valor da Demanda Faturável de 27,64kW e os consumos nas ponta e fora de ponta, respectivamente, 1.797,84 kwh/mês e ,32 kwh/mês e o valor dos Impostos (ICMS + COFINS + PIS) equivalente a aproximadamente 63% do valor faturado da Demanda de Potência Ativa e Consumo de Energia Elétrica Ativa na Ponta e Fora de Ponta, obtêm-se a partir da equação (10) os valores totais da fatura mensal e anual de energia elétrica da U.C, respectivamente:

4 4 Total da fatura Mensal de energia elétrica com os impostos: VF = 9.328,47 R$ / Mês Total da fatura Anual de energia elétrica com os impostos: VF = ,64 R$ / Ano III. ESTIMATIVA DA FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA DA RÁDIO E TV SENADO ATRAVÉS DA MODELAGEM DA EDIFICAÇÃO COM SEUS RESPECTIVOS EQUIPAMENTOS NO SOFTWARE ENERGYPLUS. Para fins de simulação computacional da edificação da rádio e TV ilustrada na Figura 1, analisou-se a edificação com funcionamento o mais próximo do real, considerando uma ocupação média de 3 pessoas, carga de iluminação de 0,384 kw, carga de equipamentos de refrigeração 12,24 kw, carga de equipamentos da rádio senado 5,0kW, carga de equipamentos da TV senado 10,0 kw e um horário de funcionamento de 24 horas por dia durante 30 dias. As características físicas da edificação foram preservadas. O termostato do sistema de refrigeração foi configurado para a temperatura de 25 C. Utilizou-se o arquivo de dados climáticos de Cuiabá-MT, cidade que apresenta condições climáticas caracterizadas por duas estações bem definidas, sendo uma seca e outra chuvosa, ventilação fraca, sendo predominantemente quente durante o ano todo. Figura 1 Edificação da Rádio e TV Senado simulada no programa Energyplus com uma área de 31m 2 Analisando os resultados da simulação da edificação no Energyplus onde estão instalados os equipamentos da Rádio e TV Senado, observa-se que temperatura ambiente da edificação sofre variações ao decorrer do dia e de acordo com as estações do ano conforme ilustrados através das figuras 1, 2 e 3. Figura 3 Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e TV Senado no mês julho/2011 Figura 4 Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e TV Senado no mês outubro/2011 Através da análise mais detalhada das figuras 2, 3 e 4 esta alteração da temperatura interna em relação à externa influencia no consumo de energia elétrica ativa e consequentemente na Demanda de Potência Ativa solicitada pela edificação. Isto pode ser observado na figura 5 que mostra o comportamento do consumo de energia elétrica Ativa nos horários de ponta e fora de ponta no decorrer dos meses durante o período de um ano. Da mesma maneira a figura 6 ilustra o comportamento da demanda de potência ativa durante os meses. Figura 2 Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e TV Senado no mês janeiro/2011 Figura 5 Consumo Anual de Energia Elétrica Ativa da Edificação da Ràdio e TV Senado

5 5 Figura 6 Demanda Anual de Potência Ativa da Edificação da Ràdio e TV Senado. As figuras 7 e 8 mostram respectivamente os perfis de consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência anual nos horários de ponta e fora de ponta para edificação de rádio e TV Senado obtidos através da simulação no Software Energyplus. Figura 7 Relação entre o consumo de energia elétrica ativa anual na ponta e fora de ponta da Edificação da Ràdio e TV Senado para o cálculo do enquadramento tarifário de uma Unidade Consumidora na tarifa horo-sazonal verde, sendo esta equação a mesma utilizada para cálculo do faturamento no método Convencional. Assim sendo, o valor total da fatura anual de energia elétrica da U.C, considerando os impostos será de VF= ,86R$ / Ano. Analisando os resultados obtidos da fatura de energia elétrica da edificação rádio e TV Senado através do método convencional e da simulação da edificação no Software Energyplus, pode-se concluir que utilizando o método convencional foram considerados que a maioria dos equipamentos instalados na edificação funcionam 24 horas por dia, em virtude da dissipação de calor proporcionada pelos transmissores de 5kW da Rádio e de 10kW da TV, que estão em atividade 24 horas por dia, durante 30 dias mensais. Portanto no método convencional, esta estimativa foi baseada na carga instalada da edificação, que é a soma das potências nominais dos equipamentos elétricos instalados na unidade consumidora, em condições de entrar em funcionamento, pela análise do histórico dos consumos de energia elétrica e demanda de potência ativa, expressa em quilowatts (kw); conforme Artigo 115 da Resolução nº 414 da ANEEL, de 09 de setembro de Já no segundo método foi realizada a modelagem da edificação e seus equipamentos no Software Energyplus, que simula o consumo de energia elétrica e demanda de potência ativa da edificação em relação às estações do ano, considerando as características climáticas da região, portanto a refrigeração do ambiente é realizada em função da temperatura interna do mesmo. Considerando que no programa Energyplus os resultados obtidos são mais próximos de um resultado real que pode ser obtido através da instalação de medidores de energia elétrica, recomenda-se que a estimativa de consumo de energia elétrica e de demanda de potência ativa a ser faturada da edificação utilizada pela Rádio e TV Senado dentro do Campus da UFMT, seja considerado os valores obtidos através da simulação no Software Energyplus. IV. CONCLUSÃO Figura 8 Relação entre demanda média na ponta e fora de ponta da Edificação da Ràdio e TV Senado. 12. Cálculo da Fatura de Energia Elétrica da Edificação da Rádio e TV Senado utilizando os dados da média do consumo de Energia Elétrica Ativa anual e da Demanda de Potência Ativa obtidos através da simulação no programa Energyplus. Utilizando a média do consumo de energia elétrica ativa mensal e a demanda média de potência ativa obtidas através da simulação da edificação no Software Energyplus ilustrados nas figuras 7 e 8, respectivamente, e utilizando a equação (10) usada O presente artigo apresenta a estimativa da fatura de energia elétrica referente a uma edificação onde se encontra instalados uma rádio e uma TV do Senado dentro do Campus da UFMT, usando o método convencional e através do Software Energyplus que representa a mesma levando em consideração as características físicas e climáticas da região onde está localizada. Durante a elaboração da estimativa da fatura de energia elétrica, utilizando o método convencional, foram considerados que a maioria dos equipamentos instalados na edificação funcionam constantemente durante todo o ano. No segundo método foi realizada a modelagem da edificação e seus equipamentos no programa Energyplus, que simula o consumo de energia elétrica e demanda de potência ativa da edificação em relação às estações do ano, considerando as características climáticas da região, portanto a refrigeração do ambiente é realizada em função da temperatura interna do mesmo. Durante a realização do estudo verificou-se a grande vantagem da

6 6 utilização do programa em relação ao método Convencional, uma vez que, o Energyplus leva em consideração as propriedades térmicas, geométricas e elétricas dos materiais utilizados na edificação, apresentando resultados mais próximos do real obtidos através da instalação de medidores de energia elétrica. Portanto, considerando que o Energyplus é de acesso gratuito, representa uma ferramenta eficaz tanto cálculo de carga térmica, quanto para estimativa de fatura de energia elétrica. V. REFERÊNCIAS [1] BRASIL. Lei Nº 8.631, de 04 de março de [2] BRASIL. Lei Nº 9.074, de 07 de julho de [3] ANEEL. Resolução N 414 de 09 de setembro de [4] ANEEL. Resolução Nº 281, de 1º de outubro de [5] ANEEL. Resolução Normativa Nº 219, de 11 de abril de [6] ANEEL. Resolução N 77, de 18 de agosto de Teresa Irene Ribeiro de Carvalho Malbeiro nasceu em Portugal. Obteve o título de Bacharel em engenharia elétrica em 1981 na Universidade de Mato Grosso Federal, e o título de PhD na University Newcastle, em Tyne - Reino Unido em Atualmente é professora e pesquisadora do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso-IFMT - Brasil. Sua principal área de interesse é a qualidade da energia. Erika Tiemi Anabuki nasceu em Goiânia-GO, Brasil. É acadêmica do curso de Engenharia Elétrica da Grosso-UFMT. Atualmente é bolsista do programa de pesquisa acadêmica. Arnulfo Barroso de Vasconcellos nasceu em Corumbá-MT, Brasil. Obteve o título de Bacharel em engenharia elétrica em 1980 na UFMT, e os títulos de Mestre e Doutor, respectivamente em 1987 e 2004, na UFU. Atualmente é professor e pesquisador na Grasso - UFMT. Luciana Oliveira da Silva nasceu em Cuiabá-MT, Brasil. Obteve o título de Engenheira Eletricista em 2012 pela Universidade Federal de Mato Grosso-UFMT. Atualmente é mestranda do Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental, pela Grosso. Seus especiais campos de interesse estão ligados à eficiência energética, automação e simulação computacional. Fernando Novelo nasceu em Cuiabá MT, Brasil. É acadêmico do curso de Engenharia Elétrica da Grosso-UFMT. Atualmente é bolsista CNPq em iniciação tecnológica na área de Qualidade de Energia Elétrica Engenharia Elétrica. Antonio Rafael Melo Buosi, nascido em Rondonópolis-MT, Brasil. Ele atualmente cursa a faculdade de Engenharia Elétrica Grosso Brasil.