Uso de ferramenta computacional para determinar a participação dos usos finais de energia de uma edificação comercial

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1 Uso de ferramenta computacional para determinar a participação dos usos finais de energia de uma edificação comercial André R. Q. Panesi Professor do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de São Paulo ricardopanesi@yahoo.com.br Resumo: O propósito desse artigo é auxiliar estudos de eficiência energética em edificações comerciais por meio da identificação dos principais usos finais de energia e seus respectivos consumos, com o uso do programa computacional EnergyPlus. O método utilizado consiste na coleta de dados energéticos e seus padrões de uso de um edifício comercial representando o setor hoteleiro. Em seguida em posse desses valores, uma simulação computacional será efetuada de forma a estabelecer a matriz energética do edifício e seu consumo anual de energia elétrica. Os resultados desse artigo são aplicáveis para qualquer edificação comercial que utilize usos finais de energia tais como: climatização, iluminação, aparelhos, equipamentos e elevadores. A contribuição desse artigo reside no fato de que no Brasil pouquíssimos profissionais dominam o programa EnergyPlus tornando-se dessa forma um incentivo aos mesmos em utilizar tal ferramenta de estudo energético de edificações. Palavras chave: Eficiência energética em edifícios, EnergyPlus, Energia, Simulação computacional Abstract: The purpose of this paper is to assist studies of efficiency in commercial buildings by identifying the main end uses of energy and their consumption, with the use of

2 the software EnergyPlus. The method consists of collecting energy data and their patterns of use of a commercial building representing the hospitality industry. Next in possession of these values, a computer simulation will be performed in order to establish the energy matrix of the building and its annual consumption of electricity. The results of this article shall apply to any commercial building that uses energy end uses such as: HVAC, lighting, appliances, equipment and elevators. The contribution of this article lies in the fact that very few professionals in Brazil dominate EnergyPlus thus becoming an incentive for them to use this tool to study energy buildings. Keywords Energy efficiency in buildings, EnergyPlus, Energy, Computer simulation 1 Introdução É importante ressaltar que atualmente a maior parte dos edifícios comerciais desconhece a participação exata da proporção dos principais insumos energéticos. A simulação computacional termoenergética auxilia na determinação de tal matriz energética proporcionando dessa forma uma orientação clara da visão global da situação energética do edifício. O tema eficiência energética em edifícios atualmente é de interesse mundial com crescente preocupação do governo, indústria e comércio em se estabelecer padrões de utilização e consumo racional da energia disponível necessária para mover a sociedade moderna. Particularmente os edifícios que representam grande participação de uso dos insumos energéticos principais como eletricidade e gás natural. Com a criação no Brasil recentemente, da regulamentação para etiquetagem voluntária de nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos ficou estabelecido de forma definitiva que os edifícios são grandes alvos de estudos para se combater a construção e operação ineficiente como ocorreu ao longo dos anos devido ao

3 crescimento e desenvolvimento das grandes cidades. O setor comercial brasileiro através de seus sub-setores possui uma distribuição de consumo de energia elétrica de acordo com a tabela 1. Tabela 1 - Proporção do consumo de energia elétrica no setor comercial. Sub-setores Proporção Varejo 22,5 % Hotéis e Restaurantes 13,4 % Prédios Comerciais 12,4 % Entidades Financeiras 12,2 % Comunicações 5,6 % Comércio Atacadista 4,0 % Transportes 3,6 % Outros (portos, hospitais, etc) 26,4 % Fonte: Baptista (2006) A tabela 2 ilustra a proporção dos usos finais de energia nos setores comerciais. Tabela 2 - Uso final de energia setor comercial Uso final Participação no consumo final Iluminação 24% Ar condicionado 48% Equipamentos 15% Elevadores + outros 13% Fonte: Shalders (2003)

4 Observa-se que no setor comercial, os sub-setores que apresentam maior consumo de energia são o varejista e o hoteleiro, representando quase 36% do total. Neste sentido, torna-se importante desenvolver metodologias capazes de tornar mais eficiente o consumo de energia elétrica nesses sub-setores. Particularmente, o sub-setor hoteleiro carece de estudos mais aprofundados sobre eficiência energética. A figura 1 indica a média do consumo de energia elétrica por usos finais em hotéis na Europa Ocidental e Oriental. Figura 1. Consumo de energia elétrica por uso final Fonte: Adaptado de European Copper Institute De acordo com a figura 1, iluminação e climatização constituem os usos finais que mais contribuem com o consumo de energia elétrica na região Européia. No Brasil, os dados quanto ao consumo de energia elétrica por uso final em hotéis é escasso e não representam a totalidade das regiões. É interessante saber nesse caso, como é a distribuição do uso final de energia de modo que essas informações possam auxiliar em programas de eficiência energética representada geralmente por edifícios de grande e médio porte. Como orientação, a tabela 3 contribui de certa forma para a avaliação da participação dos usos finais de energia em apenas três estados do Brasil, sendo dois da região sudeste e um da região nordeste. Tabela 3 Proporção do uso final de energia em hotéis em algumas regiões do Brasil

5 Espírito Bahia Minas gerais Média Santo (%) (%) (%) (%) Ar 25 49,5 23,8 32,8 condicionado Refrigeração 20 25,5 16,9 20,8 Iluminação ,9 20,3 Outros ,4 26,1 Nota: o item outros corresponde a equipamentos em geral. Fonte: Baptista (2006) 2. Revisão da literatura Simulações computacionais são ferramentas eficazes na avaliação do desempenho energético de edificações, pois apresentam resultados mais rápidos e com um custo mais atraente comparada com outras tecnologias que não envolvam a simulação. Para Westfhal e Lamberts (1998), através de simulação feita pelo programa computacional VisualDOE 2.5, avaliaram-se propostas de melhorias nos sistemas de climatização e iluminação de um edifício comercial na cidade de Florianópolis com área construída de m 2 e consumo total de energia elétrica do edifício em 1997 de 1,24 GWh. Seu uso final de eletricidade está distribuído em: 50% para o sistema de iluminação, 41% para o sistema de climatização e 9% para os demais equipamentos elétricos. A alternativa de melhor desempenho proporcionou uma redução de 42,7% no consumo anual de energia elétrica do edifício. A Direção Geral de Energia de Portugal (2002) apresentou documento sobre estudo feito com 60 hotéis de quatro e cinco estrelas em Portugal, onde verificou-se uma variação de índices energéticos muito alta, (entre 50 e 600 kwh/m 2 ano), com valores médios de 220 kwh/m 2 ano para hotéis de 4 estrelas e 290 kwh/m 2 ano para hotéis de cinco estrelas. Verificou-se ainda que a energia elétrica correspondia, em média, à cerca de 45% da matriz

6 energética dos hotéis, enquanto que os usos finais com os maiores consumos energéticos, eram o aquecimento e o resfriamento ambiente (cerca de 30 a 35%), seguindo-se as águas quentes sanitárias (10 a 18%), cozinhas (16 a18%), e o restante era relativo à iluminação e lavanderias. Deng e Burnett (2000), com um estudo feito em 16 hotéis em Hong Kong, foi registrado um consumo médio de energia para o ano de 1995 de 564 kwh/m 2.ano, distribuído da seguinte forma: 32% climatização, 12% iluminação, 5% elevadores e 23% em aquecimento de água. Três tipos de energias eram utilizadas nos hotéis: energia elétrica, gás e óleo diesel, sendo que a energia elétrica e o gás são as mais utilizadas nos hotéis analisados. Os autores comentam também que a forma mais apropriada de se avaliar o desempenho energético de hotéis é relacionar a área construída e o consumo de energia apenas para as unidades de hospedagem. Foram analisadas as seguintes variáveis que interferem no desempenho energético: clima, ano de construção, área total construída, taxa de ocupação e classe do hotel. Como conclusão, os autores constataram que o fator clima é o único parâmetro que influencia diretamente nos resultados do desempenho energético dos hotéis investigados. Chan (2005) analisou dezessete hotéis em Hong Kong, quanto ao consumo de eletricidade, gás e óleo e constatou que a parcela de aquecimento, ventilação e climatização contribui com 54% do consumo de eletricidade, 19% por iluminação, 8% elevadores e 19% a outros equipamentos. Através também do registro do setor hoteleiro da região no período de 1990 a 1999, houve um aumento do consumo de energia de 551MWh para 711MWh nesse período analisado. Com essas informações, o autor, com o uso de técnicas de regressão linear, pôde prever como seria o consumo desse setor para o período de 2000 a Como resultados, para o ano de 2000 a previsão foi de 738,418 MWh e 1081,238 MWh para o ano de Lima (2007) realizou estudos em nove hotéis na cidade de Natal com o objetivo de se determinar desempenho energético em edifícios. Analisou diversos parâmetros para a determinação do desempenho energético tais como influência do clima, ano de construção, área construída total, taxa de ocupação, classe do hotel e o número de apartamentos

7 disponíveis. O autor constatou que edificações mais recentes consomem menos energia do que as mais antigas, não houve relação entre a área total construída com o consumo de energia entre os hotéis pesquisados. Quanto a classe dos hotéis também não houve correlação com o consumo de energia, hotéis cinco estrelas necessariamente não consomem mais do que aqueles de categoria inferior. A influência da taxa de ocupação sobre o consumo de energia variou muito entre os hotéis, sendo que os de tipo hospedagem o consumo de energia elétrica chega a ser sensível a taxa de ocupação. Dos hotéis analisados o consumo de energia elétrica anual variou entre 43 e 193 kwh/m 2. Através do emprego do programa Visual DOE o autor simulou 01 das edificações e realizou análise de sensibilidade sobre a fração de abertura da parede, eficiência do ar condicionado utilizado, vidro, sombreamento, pé direito e absortância da cobertura. Conclui que o que mais influencia o desempenho energético é a eficiência do ar condicionado e a fração de abertura da parede. 3. Metodologia 3.1 Estudo de campo O edifício analisado corresponde a um hotel localizado no centro da cidade de São Paulo, classificado como hotel econômico, possui tarifas baixas e com alta rotatividade. Através de um estudo de campo, obtiveram-se as informações necessárias para a utilização final de energia, como iluminação, sistema de climatização, aparelhos e equipamentos. A determinação da matriz energética será de acordo com a distribuição da capacidade instalada, conforme mostrado na Figura 2.

8 Figura 2. Potência instalada do edifício 3.2 Padrões de uso Os padrões de uso correspondem às informações relevantes para o modo de utilização dos usos finais de energia, de acordo com a figura 2, normalmente em hotéis, padrões de utilização são complexos para se determinar porque praticamente dependem de como a edificação é utilizada em relação ao tempo de uso de equipamentos em geral. Neste caso, para fins de simulação os valores obtidos para hotéis referindo-se à ocupação, iluminação e elevadores utilizaram-se as normas fornecidas pela ASHRAE 90, Simulação O processo de simulação corresponde a inserir as informações obtidas no estudo de campo acrescentando ainda outras informações exigidas pelo software, como mostrado na tabela 4. Tabela 4 Dados inseridos no programa Programa Versão 2.2 Norte verdadeiro 0 Terreno Urbano

9 Solar distribuição Exterior e interior Número máximo de dias de convergência 25 Edifício Número de passos 4 Algoritmos para convecção Detalhado Transferência de calor algoritmo CTF Local São Paulo Latitude -23,62º Longitude -46,65º Fuso horário -3h Altitude 803m Plantas Sim Sistemas Sim Simulação Cargas Térmicas Sim Arquivo climático Sim Dia de projeto Não Arquivo climático Congonhas SWERA Materiais de construção, equipamentos e aparelhos Os materiais que fazem parte da construção também são inseridos no programa como vidro, tijolo, concreto, gesso, argamassa, tintas, etc. Esta fase é importante porque permite o estudo de alternativas de redução do consumo energético do edifício alterando certos materiais. Equipamentos em geral representam o sistema de climatização adotado, bombas e motores, bem como os aparelhos que consomem eletricidade Geometria e distribuição das zonas de estudo da edificação A planta esquemática da figura 3 foi extraída da planta original disponibilizada pela equipe de manutenção do hotel e apresenta uma tipologia do pavimento de hospedagem com as principais dimensões com circulação central para acesso as dependências dos

10 dormitórios. A edificação também apresenta além do pavimento de hospedagem, uma área destinada à recepção dos hóspedes e outra referente ao restaurante cujas plantas não foram apresentadas nesse momento. A volumetria do edifício é ilustrada na figura 4.

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12 Figura 3. Planta do pavimento dos apartamentos do edifício Figura 4. Volumetria do edifício O número de zonas é a divisão das áreas de estudo dos andares do edifício com suas respectivas geometrias e dimensões. O número de zonas em estudo corresponde a dezenove

13 e todas são climatizadas, com exceção da zona conhecida como rouparia. A Figura 5 mostra o modelo de distribuição usado para simular as áreas do hotel. Figura 5. Modelo de distribuição de zonas de um pavimento do edifício A Figura 5 mostra apenas um andar do prédio, os valores do consumo de energia para esta fase são multiplicados por dezenove andares, proporcionando assim o consumo total de energia referente aos dormitórios. 4 Resultados da simulação Após a introdução de todas as informações necessárias procede-se a simulação no EnergyPlus. Se o programa não mostrou erros ou avisos durante o processamento de dados, é um sinal de que a simulação foi um sucesso. Este programa apresenta vários resultados interessante que auxiliam nos estudos sobre a eficiência energética da instalação, por exemplo, determinação das temperaturas internas e externas durante o dia, a carga térmica do edifício, a relação parede e área da janela, a determinação da demanda elétrica, o consumo de vários tipos de energia como eletricidade, gás, óleo etc. Como o objetivo é

14 determinar a matriz energética do hotel e, conseqüentemente, o consumo de eletricidade anual do edifício, o resultado após o processo de simulação, é apresentado pela matriz energética representada na figura 6. Figura 6. Matriz energética do edifício A Figura 6 mostra a distribuição dos usos finais mais utilizados nas instalações dos quartos do hotel onde o sistema de climatização (resfriamento, ventilação e bombeamento) participa com 36% do consumo de energia, o sistema de iluminação com 31%, 9% para os equipamentos e 24% representam os elevadores. Para saber mais sobre a precisão do software, o consumo estimado foi comparado com o consumo real do hotel para valores anuais, os resultados são mostrados na Figura 7.

15 Figura 7. Comparação com os dados reais com os simulados 5. Conclusões Ferramentas computacionais são úteis quando o objetivo é avaliar o desempenho energético dos edifícios. O software EnergyPlus favorece esse objetivo, pois proporciona uma análise realista dos fenômenos energéticos que ocorrem nos edifícios em geral. Este artigo estudou a situação particular que ocorre quando o prédio já está em operação e se deseja confrontar alguns resultados da simulação com dados reais levantados no local. O consumo de energia elétrica obtida pela simulação serve como comparação quando se tem o consumo real do edifício que é interessante, porque ajuda em projetos futuros de alternativas de redução do consumo de energia. As variáveis de entrada que podem influenciar os resultados da simulação em relação ao consumo de energia elétrica são diversas, por exemplo, a taxa de ocupação, os horários de ocupação, iluminação e equipamentos, o coeficiente de desempenho do HVAC, a orientação do edifício em relação aos principais pontos cardeais, o número de zonas adotadas e muitas outras variáveis que devem ser examinadas com cuidado para não mascarar os resultados. Em posse dos valores da matriz energética é possível focar trabalhos que minimizem por exemplo a participação do sistema de

16 climatização contribuindo dessa forma com o impacto do consumo de eletricidade da edificação. Hotéis em geral possuem programas de gerenciamento de energia, mas raramente utilizam ferramentas de análise energética de forma a se conhecer com detalhes a sua matriz energética. Como a finalidade desse artigo foi encontrar a matriz energética associada ao consumo de energia anual do edifício, conclui-se que os objetivos foram alcançados de forma satisfatória servindo como base para outros trabalhos que supostamente possam a ser utilizados auxílios de simulação computacional particularmente por meio do EnergyPlus. 6 Referencias ASHRAE. AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIRCONDITIONING ENGINEERS. ASHRAE Standard : Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. Atlanta, p. BAPTISTA, A. S. C. Análise da viabilidade econômica da utilização de aquecedores solares de água em resorts no nordeste do Brasil Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, CHAN, W. W. (2005). Predicting and saving the consumption of electricity in sub-tropical hotels. International Journal of Contemporary Hospitality Management, v. 17, n. 3, p DENG, S-M; BURNETT, J. A study of energy performance of hotel buildings in Hong Kong. Energy and Buildings, v. 31, p. 7-12, DIRECÇÃO GERAL DE ENERGIA. Eficiência energética nos edifícios, E4. Lisboa: Ogilvry & Mather, p.

17 EUROPEAN COPPER INSTITUTE. Power quality & utilization guide Disponível em: Acesso em 21 jan LIMA, F.L.G. Influência de varáveis arquitetônicas no desempenho energético de hotéis no clima quente e úmido da cidade de Natal/RN p. Dissertação (Mestrado), Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, SHALDERS, N. A.; Regulamentação de desempenho térmico e energético de edificações p. Dissertação (Mestrado), Instituto de Eletrotécnica e Energia, Universidade de São Paulo, São Paulo, WESTFHAL, F. S.; LAMBERTS, R. Proposta de melhoria na eficiência energética de um edifício comercial. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, ENTAC, 7., 1998, Florianópolis. Anais