TCC2016 ar conde

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Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia Elétrica
Lucas Felipe de Lima
Estudos de Eficiência Energética em
Aparelhos Condicionadores de Ar e Técnicas
para Redução da Carga Térmica nas
Edificações
Londrina
2017
Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia Elétrica
Lucas Felipe de Lima
Estudos de Eficiência Energética em Aparelhos
Condicionadores de Ar e Técnicas para Redução da
Carga Térmica nas Edificações
Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. MSc. Osni
Vicente intitulado “Estudos de Eficiência Energética em Aparelhos
Condicionadores de Ar e Técnicas para Redução da Carga Térmica
nas Edificações” e apresentada à Universidade Estadual de Lon-
drina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do
Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. MSc. Osni Vicente
Londrina
2017
Ficha Catalográfica
Lucas Felipe de Lima
Estudos de Eficiência Energética em Aparelhos Condicionadores de Ar e Téc-
nicas para Redução da Carga Térmica nas Edificações - Londrina, 2017 - 132
p., 30 cm.
Orientador: Prof. MSc. Osni Vicente
1. Ar Condicionado. 2. Envoltória. 3. Consumo. 4. Split. 5. Janela.
I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Estu-
dos de Eficiência Energética em Aparelhos Condicionadores de Ar e Técnicas
para Redução da Carga Térmica nas Edificações.
Lucas Felipe de Lima
Estudos de Eficiência Energética em
Aparelhos Condicionadores de Ar e Técnicas
para Redução da Carga Térmica nas
Edificações
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,
como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel
em Engenharia Elétrica.
Comissão Examinadora
Prof. MSc. Osni Vicente
Universidade Estadual de Londrina
Orientador
Prof. Dr. Carlos Henrique G. Treviso
Universidade Estadual de Londrina
Prof. Dr. Ernesto Fernando F. Ramírez
Universidade Estadual de Londrina
Londrina, 1 de março de 2017
Agradecimentos
Agradeço primeiramente meus pais, João Batista de Lima e Solange dos Santos Lima,
que sempre me deram apoio e suporte, e todos os meus familiares.
Agradeço também os amigos a qual compartilhamos momentos de alegria e tristeza
durante esse período de graduação.
Agradeço também meu orientador Prof. Osni Vicente, sendo seu auxilio imprescindível
para a realização desse trabalho.
Agradeço também os professores Carlos Treviso e Ernesto Ramírez por aceitarem
participar da banca examinadora.
“O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo.”
(Winston Churchill)
Lucas Felipe de Lima. 2017. 132 p. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia
Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.
Resumo
O uso de equipamentos de ar condicionado tem sido cada vez mais constante, modificando
características de consumo de energia elétrica e assim trazendo impactos relevantes no
sistema elétrico brasileiro. De forma a reduzir tal impacto e evitar pesados investimentos
em infraestrutura tanto por parte da transmissão quanto geração de energia elétrica,
assim como a redução na emissão de CO2, a busca por equipamentos mais eficientes
tem sido cada vez mais significativa. Porém não basta apenas os equipamentos serem
eficientes, as edificações também são parte importante no condicionamento de ar. Uma
edificação eficiente tem um bom aproveitamento térmico, não sobrecarregando assim o
sistema de condicionamento de ar e otimizando o consumo de energia elétrica por esses
dispositivos. De modo a obter esse resultado, é importante o envolvimento de todos
profissionais trabalhando em conjunto, sendo o engenheiro eletricista parte essencial nesse
processo.
Palavras-Chave: 1. Ar Condicionado. 2. Envoltória. 3. Consumo. 4. Split. 5. Janela.
Energy Efficiency Studies in Air Conditioning Devices and Techniques for
Reduction of Thermal Load in Buildings. 2017. 132 p. Monograph in Engenharia
Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.
Abstract
The use of air conditioners have been increasing more and more, changing the consumption
of electric energy and bringing new impacts on the brazilian electric system. In order to
reduce this impact and avoid big investments in infrastructure both in transmission and
in electric generation, and reduce the emission level of CO2, the search for more efficient
equipment’s have been more and more significantly. Therefore, it is not enough just the
equipment be efficient, the edifications are an important part in air conditioning too.
An efficient edification has a good thermal recovery, not overloading the air conditioning
system and optimizing the electric energy consumption by these devices. As a way to
achieve this results, is important the involvement of all professionals working as a team,
being the electrical engineer an essential part in this process.
Key-words: 1. Air Conditioner. 2. Envelope. 3. Consumption. 4. Split. 5. Window.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Fluxo de energia elétrica, ano 2015. Fonte: EPE (2016). . . . . . . . . 29
Figura 2 – Uso final da energia elétrica pelo setor residencial. Fonte: PROCEL
(2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 3 – Uso final da energia elétrica pelo setor comercial. Fonte: PROCEL
(2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 4 – Tipos de condicionadores de ambiente presente nas empresas. Fonte:
PROCEL (2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 5 – Uso final da energia elétrica pelos prédios públicos. Fonte: PROCEL
(2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 6 – Tipos de condicionadores de ambiente presente em prédios públicos.
Fonte:PROCEL (2006). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 7 – Gráfico de consumo de 2006 a 2015. Adaptado de EPE (2016). . . . . . 32
Figura 8 – Crescimento do PIB no período de 2006 a 2015. Adaptado de Banco
Central do Brasil (2017). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 9 – Curva de carga residencial, região Norte. Fonte: PROCEL (2006). . . . 35
Figura 10 – Curva de carga residencial, região Nordeste. Fonte: PROCEL (2006). . 35
Figura 11 – Curva de carga residencial, região Sul. Fonte: PROCEL (2006). . . . . 35
Figura 12 – Curva de carga residencial, região Centro-Oeste. Fonte: PROCEL (2006). 36
Figura 13 – Curva de carga residencial, região Sudeste. Fonte: PROCEL (2006). . . 36
Figura 14 – Selo Procel de Economia de Energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 15 – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia. . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 16 – Variação anual da classificação de ENCE de equipamentos split. (Dados
do Inmetro) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 17 – Variação anual do número de ar condicionados cadastrados no PBE.
(Dados do Inmetro) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 18 – Ilustração demonstrando dois AHS de 10 graus. Fonte: Procel (2010). . 50
Figura 19 – Ilustração demonstrando um AVS de 45 graus. Fonte: Procel (2010). . 50
Figura 20 – Ilustração demonstrando abertura zenital em uma superfície com incli-
nação de 15 graus. Fonte: Procel (2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura 21 – Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor. Fonte: GENIER, DA
COSTA e DA COSTA JR (2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Figura 22 – Exemplo de compressor hermético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura 23 – Exemplo de compressor semi-hermético. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 24 – Diagrama ilustrativo de um compressor alternativo de ação dupla.
Fonte: Vale(2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 25 – Funcionamento de um compressor alternativo de simples ação. Fonte:
Venturini e Pirani (2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 26 – Trabalho de compressão e potência de um compressor ideal em função
da temperatura de evaporação, com temperatura de condensaçao de
35 ◦C e refrigerante R22. Fonte: Venturini e Pirani (2005). . . . . . . . 59
Figura 27 – Ilustração construtiva de um compressor rotativo. Fonte: Venturini e
Pirani (2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 28 – Comparativo entre sistema Inverter e Convencional. Fonte: Fujitsu
General (2016b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Figura 29 – Exemplo de Corrente com Distorção Harmônica. Fonte: Deckmann e
Pomilio (2016). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Figura 30 – Forma de onda da corrente para verificação de conformidade de equi-
pamento classe D. Fonte: IEC (1995). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 31 – Quadrantes contendo os limites de cada orientação. Fonte: Fossati e
Lamberts (2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 32 – Fluke 43B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Figura 33 – Montagem do Fluke para obtenção de dados. . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura 34 – Termômetro Digital Western. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Figura 35 – ENCE Condicionador de Ar Brastemp ative!. . . . . . . . . . . . . . . 88
Figura 36 – Unidade Evaporadora do Equipamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Figura 37 – Termômetro colocado junto a Unidade Evaporadora. . . . . . . . . . . 89
Figura 38 – Unidade Condensadora do Equipamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figura 39 – Ligação do Fluke no Quadro de Distribuição. . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 40 – Potência Ativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 41 – Temperatura Interna e Extena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura 42 – Corrente de Partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 43 – Fator de Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 44 – Distorção Harmônica de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 45 – Distorção Harmônica de Corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura 46 – Unidade Evaporadora do Equipamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura 47 – Unidade Condensadora do Equipamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Figura 48 – Ligação do Fluke no Quadro de Distribuição. . . . . . . . . . . . . . . 96
Figura 49 – Potência Ativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Figura 50 – Temperatura Interna e Extena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Figura 51 – Corrente de Partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Figura 52 – Fator de Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Figura 53 – Distorção Harmônica de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Figura 54 – Distorção Harmônica de Corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Figura 55 – ENCE Condicionador de Ar Elgin Silent. . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Figura 56 – Unidade Evaporadora Elgin Silent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Figura 57 – Unidade Condensadora Elgin Silent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Figura 58 – Potência Ativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Figura 59 – Temperatura Interna e Extena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Figura 60 – Corrente de Partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Figura 61 – Fator de Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Figura 62 – Distorção Harmônica de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Figura 63 – Distorção Harmônica de Corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Figura 64 – Condicionador de Ar de Janela Gree. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Figura 65 – Potência Ativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Figura 66 – Temperatura Interna e Extena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Figura 67 – Corrente de Partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Figura 68 – Fator de Potência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Figura 69 – Distorção Harmônica de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Figura 70 – Distorção Harmônica de Corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Figura 71 – Classes de Eficiência Energética para Condicionadores de Ar Janela.
Fonte: INMETRO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Figura 72 – Classes de Eficiência Energética para Condicionadores de Ar Split.
Fonte: INMETRO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Figura 73 – Zoneamento Bioclimático Brasileiro.Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . 122
Figura 74 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas paredes. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Figura 75 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas paredes. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Figura 76 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas paredes. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Figura 77 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas paredes. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Figura 78 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas coberturas. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Figura 79 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para algu-
mas coberturas. Fonte: ABNT (2003). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Lista de tabelas
Tabela 1 – Principais Barreiras na Difusão da Eficiência Energética em Países em
Desenvolvimento. Adaptado de IEA (2007). . . . . . . . . . . . . . . . 44
Tabela 2 – Temperaturas de Trabalho. Adaptado de Portal da Refrigeracao (2014). 57
Tabela 3 – Tabela com limites para os Harmônicos de Correntes.Adaptado de IEC
(1995). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Tabela 4 – Equivalente numérico para cada nível de eficiência. . . . . . . . . . . . 69
Tabela 5 – Classificação Geral da Etiqueta da Edificação. . . . . . . . . . . . . . . 70
Tabela 6 – Limites de Transmitância Térmica para Classificação Nível A. . . . . . 72
Tabela 7 – Limites de Transmitância Térmica para Classificação Nível B. . . . . . 72
Tabela 8 – Limites de Transmitância Térmica para Classificação Nível C e D. . . . 73
Tabela 9 – Limites de Fator Solar de vidros e de Percentual de Abertura Zenital
para coberturas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Tabela 10 – Relação entre pré-requisitos e níveis de eficiência. . . . . . . . . . . . . 74
Tabela 11 – Espessura mínima de isolamento de tubulações para sistemas de refri-
geração. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Tabela 12 – Calor Liberado por Pessoas (BTU/h). Adaptado de ELETROBRAS
PROCEL (2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabela 13 – Calor liberado por equipamentos elétricos. Adaptado de ELETRO-
BRAS PROCEL (2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Tabela 14 – Precisão de medição do Fluke 43B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Tabela 15 – Dados técnicos fornecidos pelo fabricante. Fonte: Brastemp (2008). . . 87
Tabela 16 – Comparação de correntes harmônicas. . . . . . . . .. . . . . . . . . . 94
Tabela 17 – Dados técnicos fornecidos pelo fabricante. Fonte: Fujitsu General
(2016a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Tabela 18 – Comparação de correntes harmônicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Tabela 19 – Dados técnicos fornecidos pelo fabricante. Fonte: Elgin (2014). . . . . 101
Tabela 20 – Comparação de correntes harmônicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Tabela 21 – Dados técnicos fornecidos pelo fabricante. Fonte: Gree (2003). . . . . . 107
Tabela 22 – Comparação de correntes harmônicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Tabela 23 – Comparação Potência Medida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Tabela 24 – Comparação Corrente de Partida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Tabela 25 – Comparação Coeficiente de Eficiência Energética. . . . . . . . . . . . . 114
Tabela 26 – DPIL - Método da Área do Edifício. Fonte: INMETRO (2010). . . . . 129
Tabela 27 – DPIL - Método das Atividades do Edifício. Fonte: INMETRO (2010). 130
Lista de Siglas e Abreviaturas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN Balanço Energético Nacional
BNDS Banco Nacional do Desenvolvimento
CEE Coeficiente de Eficiência Energética
CGIEE Comitê Gestor de Índices de Eficiência Energética
COP Cefficient of Performance
ENCE Etiqueta Nacional de Conservação de Energia
EPE Empresa de Pesquisa Energética
IEA Agência Internacional de Energia
IEC Comissão Eletrotécnica Internacional
IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
NBR Norma Técnica Brasileira
ONS Operador Nacional do Sistema
PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem
PIB Produto Interno Bruto
PROCEL Programa de Conservação de Energia Elétrica
PRODIST Procedimentos de Distribuição
RGR Reserva Global de Reversão
RTQ Regulamento Técnico de Qualidade
THD Distorção Harmônica Total
Lista de Símbolos e Notações
Aenv Área da Envoltória
AC Área Condicionada
AHS Ângulo Horizontal de Sombreamento
ANC Área não Condicionada
AV S Ângulo Vertical de Sombreamento
CT Capacidade Térmica
DCI Densidade de Carga Interna
DPI Densidade de Potência de Iluminação
DPIL Densidade de Potência de Iluminação
Env Envoltória
EqNum Equivalente Numérico
FA Fator de Altura
FF Fator de Forma
FP Fator de Potência
FS Fator Solar
P Potência Ativa
PAFO Percentual de Abertura na Fachada Oeste
PAFT Percentual de Abertura na Fachada Total
PT Pontuação Total
PAZ Percentual de Abertura Zenital
Q Potência Reativa
S Potência Aparente
T Temperatura
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1 Objetivos do Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 BALANÇO ENERGÉTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1 Análise no Consumo de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Curva de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Potencial de Conservação de Energia . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica . . . . 39
3.3 Programa Brasileiro de Etiquetagem . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Eficiência Energética em Edificações . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Barreiras na Difusão da Eficiência Energética . . . . . . . . . . 44
3.6 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 FUNDAMENTOS TEÓRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 Definições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 Ambiente Condicionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.3 Ângulo de Sombreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.4 Ângulo Horizontal de Sombreamento (AHS) . . . . . . . . . . . 49
4.1.5 Ângulo Vertical de Sombreamento (AV S) . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.6 Área Condicionada (AC) (m2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.7 Área Não Condicionada (ANC) (m2) . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.8 Área da envoltória (Aenv) (m2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.9 Capacidade Térmica (CT ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.10 Coeficiente de Performance (COP) . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.11 Coletor Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.12 Densidade de Carga Interna (DCI) (W/m2) . . . . . . . . . . . . 51
4.1.13 Densidade de Potência de Iluminação (DPI) (W/m2) . . . . . . 51
4.1.14 Densidade de Potência de Iluminação Limite (DPIL) (W/2) . . 51
4.1.15 Envoltória (Env) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.16 EqNum - Equivalente Numérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.17 Fachada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.18 Fachada Oeste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.19 Fator de Altura (FA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.20 Fator de Forma (FF ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.21 Fator Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.22 Paredes Externas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.23 Percentual de Abertura Zenital (PAZ) (%) . . . . . . . . . . . . 52
4.1.24 Percentual de Área de Abertura na Fachada Oeste (PAFO) (%) 53
4.1.25 Percentual de Área de Abertura na Fachada total (PAFT ) (%) 53
4.1.26 Pontuação Total (PT ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.27 Sistema de Condicionamento de Ar (CA) . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.28 Transmitância térmica (W/(m2K)) . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.29 Transmitância Térmica da Cobertura (Ucob) (W/(m2K)) . . . . 54
4.1.30 Transmitância Térmica das Paredes (Upar) (W/(m2K)) . . . . . 54
4.1.31 Zonas Bioclimáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Ciclos de Refrigeração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor . . . 54
4.4 Compressores de Sistemas de Refrigeração . . . . . . . . . . . . 55
4.4.1 Compressor Alternativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.2 Compressor Rotativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Tecnologia Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6 Distorções Harmônicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.6.1 Definição e Origem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.6.2 Implicações de Correntes Harmônicas . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.6.3 Norma IEC 61000-3-2: Limites para emissão de harmônicas
de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6.4 Recomendação IEEE para práticas e requisitos para controle
de harmônicas no sistema elétrico de potência: IEEE-519 . . . 65
4.7 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.8 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NAS EDIFICAÇÕES . . . . . . 69
5.1 RTQ-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.1 Pré-Requisitos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.1.1 Circuitos Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.2 Bonificações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.1.3 Envoltória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.3.1 Transmitância Térmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.3.2 Cores e Absortância de Superfícies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.3.3 Abertura Zenital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.4 Sistemas de Iluminação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.4.1 Pré-Requisitos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.4.1.1 Divisão dos Circuitos de Iluminação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.4.1.2 Contribuição da Luz Natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.4.1.3 Desligamento Automático do Sistema de Iluminação . . . . . . . . . . . 75
5.1.4.2 Procedimento de Determinação da Eficiência . . . . . . . . . . . . 75
5.1.4.2.1 Método da Área do Edifício . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.4.2.2 Método das Atividades do Edifício . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.5 Sistemas de Condicionamento de Ar . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.5.1 Sistemas de condicionamento de ar regulamentados pelo INMETRO 77
5.1.5.2 Sistemas de condicionamento de ar não regulamentos pelo INME-
TRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 TÉCNICAS, ENSAIOS E RESULTADOS . . . . . . . . . . . . 79
6.1 Medidas de Eficiência Energética em Edificações . . . . . . . . 79
6.1.1 Transmitância Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.1.2 Cores e Absortância de Superfícies . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.3 Fator Solar e Orientação das Fachadas . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.4 Percetual de Abertura da Fachada (PAF ) . . . . . . . . . . . . 81
6.1.4.1 Proteções Solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.1.5 Carga de Ocupação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1.6 Potência Dissipada por Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1.7 Potência Dissipada por Iluminação . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2 Ensaio e Medições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.1 Critérios de Medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.2 Instrumentos de Medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.2.1 FLUKE 43B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.2.2 Termômetro Digital Western . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3 Brastemp Split ative! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.1 Dados de Catálogo e Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.2 Procedimentos e Resultados Obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.2.1 Consumo e Temperaturas Interna e Externa . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.2.2 Corrente de Partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.2.3 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.2.4 Distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2.5 Coeficiente de Eficiência Energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4 Fujitsu Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4.1 Dados de Catálogo e Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4.2 Resultados Obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4.2.1 Consumo e Temperaturas Interna e Externa . . . . . . . . . . . . . 97
6.4.2.2 Corrente de Partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.4.2.3 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4.2.4 Distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4.2.5 Coeficiente de Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.5 Elgin Silent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5.1 Dados de Catálogo e Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5.2 Resultados Obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.5.2.1 Consumo e Temperaturas Interna e Externa . . . . . . . . . . . . . 103
6.5.2.2 Corrente de Partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.5.2.3 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.5.2.4 Distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5.2.5 Coeficiente de Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.6 Condicionador de Ar de Janela Gree . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.6.1 Dados de Catálogo e Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.6.2 Resultados Obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6.2.1 Consumo e Temperaturas Interna e Externa . . . . . . . . . . . . . 108
6.6.2.2 Corrente de Partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.2.3 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6.2.4 Distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6.2.5 Coeficiente de Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7 Discussão e Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.7.1 Consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.7.2 Corrente de Partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.7.3 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.7.4 Distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.7.5 Coeficiente de Eficiência Energética . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.8 Considerações Finais do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
25
1 Introdução
O consumo de energia elétrica residencial em países em desenvolvimento é reduzido se
comparado ao consumo de outros setores, como o setor industrial, por exemplo.
O consumo de energia elétrica do setor residencial de países desenvolvidos, é maior
se comparado ao consumo dos países em desenvolvimento. Se tomarmos como exemplo
a China, o setor residencial é responsável apenas por 10% do consumo total de energia
elétrica do país, enquanto que em países desenvolvidos, esse valor está em torno de 30%
(IEA, 2007).
Por outro lado, temos também o setor comercial, que vem mostrando um aumento
significativo no consumo de energia elétrica. A evolução da realidade social brasileira
no sentido de uma economia mais desenvolvida e com melhor distribuição de renda, so-
licitando serviços e segmentos comerciais de crescente sofisticação, aliados ao potencial
turístico do país, contribuem para um crescimento acelerado do consumo de energia elé-
trica no setor (EPE, 2015).
Os principais responsáveis pelo crescimento significativo no consumo de eletricidade
nesses setores são: refrigeradores, equipamentos de iluminação e aparelhos condicionado-
res de ar, sendo ainda esperado que o consumo por parte de condicionadores de ar tenha
um crescimento mais rápido do que refrigeradores e equipamentos de iluminação.
Segundo dados da Agência Internacional de Energia, a utilização de aparelhos de ar
condicionado em residências nos países em desenvolvimento como o Brasil, foi de 5% em
1995 a 70% em 2004, sendo ainda esperado que tal crescimento se mantenha por algumas
décadas. O Brasil está em terceiro lugar no ranking mundial de aparelhos condicionadores
de ar de janela, atrás apenas dos Estados Unidos e Índia, e em nono lugar quando se fala
em Splits. Em termos de toneladas de refrigeração, ouve um crescimento de 211% nos
últimos dez anos no Brasil, superando em 2007 a marca de 1,3 milhão de toneladas de
refrigeração (Portal da Refrigeracao, 2013).
Em notícia publicada pelojornal O Globo (2015), o diretor-geral da Agência Nacional
de Energia Elétrica (ANEEL), Reive Barros, disse que o horário de pico de energia no país
está se deslocando para as 15h, principalmente por causa de sistemas de ar-condicionado.
Somado isso ao fato da matriz energética brasileira ser composta principalmente por
usinas hidrelétricas, que em períodos de altas temperaturas podem ter sua geração com-
prometida devido à queda nos níveis de água dos seus reservatórios, vemos que algo deve
ser feito para suprir essa demanda, cada vez mais alta, de forma a evitar blecautes a
apagões.
Uma das alternativas seria o investimento em infraestrutura. No entanto, o custo seria
elevado e o resultado seria obtido a longo prazo, podendo ainda gerar impactos ambientais
26 Capítulo 1. Introdução
significativos. Uma outra alternativa seria investir em eficiência energética que, com um
custo razoavelmente baixo, traria resultados rápidos e bastante relevantes.
1.1 Objetivos do Tema
• Verificar hábitos de consumo de energia elétrica levando em conta os respectivos
níveis socioeconômicos do consumidor, com foco em condicionadores de ar.
• Analisar o uso final de energia elétrica, obtendo assim o impacto do uso de condici-
onadores de ar nas residências brasileiras atualmente e o potencial de conservação
de energia por esses equipamentos.
• Apresentar medidas e técnicas construtivas que implicam em edificações mais efici-
entes, com um melhor aproveitamento térmico e consequentemente um sistema de
condicionamento de ar eficiente.
• Constatar a confiabilidade dos índices de eficiência energética apresentados na Eti-
queta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), assim como verificar caracte-
rísticas dos aparelhos que interferem na instalação elétrica, como fator de potência
e distorção harmônica.
1.2 Estrutura do Trabalho
Esse trabalho apresenta cinco etapas.
Na primeira etapa é feita uma análise no consumo final de energia elétrica, com ênfase
nos setores residenciais, comerciais e públicos. São mostrados alguns hábitos de consumo
nas diversas regiões do país e também dados do Balanço Energético Nacional (BEN) 2016,
relacionando o crescimento de consumo desses setores com o Produto Interno Bruto (PIB)
do país.
Na segunda etapa é analisado o potencial de conservação de energia por parte dos
sistemas de condicionamento de ar. São citados os principais programas de eficiência
energética e também, o impacto na eficiência de aparelhos condicionadores de ar desde a
criação de um índice mínimo de eficiência energética. Por fim, são apresentados algumas
barreiras e obstáculos da difusão da eficiência energética no mundo.
Na terceira etapa são apresentados fundamentos importantes sobre o funcionamento
de equipamentos condicionadores de ar. São apresentados o ciclo de refrigeração, os tipos
de compressores atualmente utilizados em condicionadores de ar individual de pequeno
porte e também as características da tecnologia inverter.
1.2. Estrutura do Trabalho 27
Na quarta etapa são mostrados recomendações de eficiência energética em edificações
de uso misto, comercial e público estabelecidades pelo Regulamento Técnico de Qualidade
(RTQ).
Na quinta etapa são apresentados algumas constatações e práticas de eficiência ener-
gética propostas por outros autores. Por fim, são realizadas medições em 4 equipamentos,
sendo 1 deles de janela, 2 split convencional e 1 split com tecnologia inverter. São com-
parados os seus respectivos consumos, valores de fator de potência, corrente de partida e
distorção harmônica. E por fim, são comparados os valores de eficiência da ENCE com
os valores obtidos via medição.
29
2 Balanço Energético
Nesse capítulo são feitas constatações e análises a respeito do consumo de energia
elétrica nos setores residenciais, comerciais e públicos. São mostrados através de gráficos
quais equipamentos são os principais consumidores finais de energia elétrica nesses setores.
Por fim, é feita uma análise da curva de carga das diversas regiões do país afim de se obter
as características de consumo de cada região.
2.1 Análise no Consumo de Energia Elétrica
O consumo de energia elétrica pelo setor residencial, no ano de 2015, corresponde
a 21, 3%, enquanto que 14, 8% corresponde ao setor comercial e 6, 9% ao setor público.
Portanto, esses três setores juntos, correspondem a 43% de toda energia elétrica consumida
no país (EPE, 2016).
Figura 1 – Fluxo de energia elétrica, ano 2015. Fonte: EPE (2016).
De acordo com a última pesquisa de posse e hábitos no consumo de energia realizada
pela Eletrobrás no período de 2004/2006 (PROCEL, 2006), o uso de eletrodomésticos
30 Capítulo 2. Balanço Energético
referentes ao condicionamento de ambiente por parte de consumidores residenciais corres-
ponde a 20% de todo o consumo de energia elétrica.
Figura 2 – Uso final da energia elétrica pelo setor residencial. Fonte: PROCEL (2006).
No setor comercial, o uso final por parte de ar condicionados representa 47% de toda
a energia consumida, enquanto que a iluminação corresponde a 22%. E no que se trata
de ar condicionados, 76, 6% correspondem a sistemas individuais de janela e/ou split.
Figura 3 – Uso final da energia elétrica pelo setor comercial. Fonte: PROCEL (2006).
2.1. Análise no Consumo de Energia Elétrica 31
Figura 4 – Tipos de condicionadores de ambiente presente nas empresas. Fonte: PROCEL
(2006).
Muito similar ao setor comercial, o consumo de ar condicionado pelos prédios públicos
corresponde a 48% de todo o consumo de energia elétrica, enquanto que o consumo de
iluminação corresponde a 23%. Em se tratando de ar condicionado, 82% dos equipamentos
encontrados em edificações públicas correspondem a sistemas individuais de janela e/ou
split.
Figura 5 – Uso final da energia elétrica pelos prédios públicos. Fonte: PROCEL (2006).
32 Capítulo 2. Balanço Energético
Figura 6 – Tipos de condicionadores de ambiente presente em prédios públicos.
Fonte:PROCEL (2006).
De acordo com a EPE (2016), no de 2006 os setores residencial, comercial e público
registraram um consumo anual de 85.810GWh, 55.222GWh e 33.049GWh, respectiva-
mente. No ano de 2015 os respectivos consumos foram de 131.315GWh, 91.412GWh e
42.672GWh. Portanto, entre os consumos registrados em 2006 e 2015 houve um aumento
de aproximadamente 53% no setor residencial, 65% no setor comercial e 29% no setor
público.
Figura 7 – Gráfico de consumo de 2006 a 2015. Adaptado de EPE (2016).
2.1. Análise no Consumo de Energia Elétrica 33
Ao relacionarmos o consumo de energia elétrica com o crescimento do PIB, observamos
uma relação direta entre ambos.
Figura 8 – Crescimento do PIB no período de 2006 a 2015. Adaptado de Banco Central
do Brasil (2017).
O consumo dos setores residenciais e comerciais apresentou crescimento elevado até o
ano de 2014, ano em que o PIB apresentou um pequeno crescimento. Já no ano de 2015,
o consumo residencial apresentou uma retração, juntamente com o setor industrial e o
setor público, enquanto que no setor comercial o consumo pouco cresceu. Isso se deve ao
decrescimento do PIB no ano.
Dessa forma, verifica-se que o consumo do setor residencial é influenciado diretamente
pela economia. Ou seja, conforme a economia do país cresce, a população tem mais acesso
a eletrodomésticos e/ou equipamentos que visam o conforto e uma melhor qualidade de
vida. Um desses equipamentos é o ar condicionado.
No entanto, existem casos mostrando que o número de aparelhos de ar condicionados
pode crescer mais rápido do que a própria economia do país. No ano de 1990, menos de
1% da população urbana Chinesa possuia equipamentos de ar condicionado. Já no ano
de 2003, esse número era de 62%.(MCNEIL; LETSCHERT, 2008)
Em mercados mais maduros, como nos países desenvolvidos, as vendas de ar condi-
cionado são motivadas pelo aumento da população, reposições porequipamentos mais
modernos e estabelecimentos com mais de um equipamento. Por outro lado, em merca-
dos em desenvolvimento, as vendas são motivadas pela possibilidade das pessoas terem
ou não acesso a estes equipamentos, traçando uma relação direta entre o poder aquisitivo
da população e o número de condicionadores de ar, assim como outros eletrodomésticos.
34 Capítulo 2. Balanço Energético
Sendo assim, conforme a economia do país cresce e a população aumenta seu poder
aquisitivo, há uma demanda por equipamentos que visam a comodidade, tal como equi-
pamentos de ar condicionado, máquinas de lavar-louça, entre outros eletrodomésticos. E
ainda, se somarmos a oportunidade da população em adquirir maior conforto, com o clima
brasileiro, é fácil perceber que a tendência é que os números de condicionadores de ar cres-
çam mais rapidamente se comparado a outros eletrodomésticos (MCNEIL; LETSCHERT,
2008).
Para uma análise mais detalhada do consumo por parte do setor residencial, é neces-
sário avaliar o perfil e hábitos de consumo de cada consumidor.
Fournier e Penteado (2010) em seu estudo na cidade de Santo André, interior de São
Paulo, fizeram uma série de questionários para avaliar características e hábitos de consumo
de três bairros com diferentes faixas socioeconômicas, levando em consideração o nível de
alfabetização e a renda familiar.
Observou-se que as famílias com maior renda, consequentemente, maior poder aquisi-
tivo, juntamente com as famílias de renda intermediária, tem mais preocupação quanto
a economia de energia ao adquirir um equipamento novo. Porém, as famílias com maior
renda encontram dificuldades quanto a adquirir hábitos que visem uma maior eficiência
energética.
Por outro lado, as famílias de baixa renda encontram dificuldades em adquirir equi-
pamentos mais eficientes, uma vez que o preço é o que mais pesa na tomada de decisão
sobre qual equipamento adquirir. E também, pelo fato de algumas famílias de baixa
renda possuírem ligações clandestinas de energia elétrica, não havia qualquer hábito que
promovesse o consumo consciente de energia.
Sendo assim, independente da classe socioeconômica e grau de instrução, a pesquisa
mostrou que a tarifa mensal, é uma importante ferramenta para o uso consciente de
energia elétrica, motivada pela economia financeira no fim do mês.
2.2 Curva de Carga
Como o Brasil é um país continental, é difícil ser preciso em uma análise geral. Sendo
assim, é necessário o conhecimento de consumo de cada região do país para que sejam
tomadas as medidas mais adequadas possíveis.
De acordo com a última pesquisa de posse e hábitos no consumo de energia realizada
pela Eletrobrás no período de 2004/2006 (PROCEL, 2006), é possível obter a curva de
carga das diferentes regiões do país, assim como, o consumo médio detalhado de cada equi-
pamento. Embora os dados estejam de certo modo defasados, ainda são dados bastante
relevantes.
2.2. Curva de Carga 35
Figura 9 – Curva de carga residencial, região Norte. Fonte: PROCEL (2006).
Figura 10 – Curva de carga residencial, região Nordeste. Fonte: PROCEL (2006).
Figura 11 – Curva de carga residencial, região Sul. Fonte: PROCEL (2006).
36 Capítulo 2. Balanço Energético
Figura 12 – Curva de carga residencial, região Centro-Oeste. Fonte: PROCEL (2006).
Figura 13 – Curva de carga residencial, região Sudeste. Fonte: PROCEL (2006).
Observa-se que nas regiões Norte e Nordeste o maior impacto na curva de carga é o
consumo por parte do condicionamento ambiental. Devido às altas temperaturas, equi-
pamentos de aquecimento como o chuveiro, apresentam pequena influência na curva de
carga. Por outro lado, nas regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste, o chuveiro tem um maior
impacto na curva de carga. Porém o condicionamento ambiental também tem um impacto
relevante.
De acordo com boletim de carga especial, divulgado pelo ONS (2015), no dia 21 de
outubro de 2015 ocorreu recorde de demanda instantânea no subsistema Norte atingindo
respectivamente 6.492 MW às 15h53m. No dia 14 de janeiro de 2015 o mesmo ocorreu na
região nordeste, com recorde de demanda instantânea às 15h59m, sendo que um dia antes,
já havia ocorrido recorde de demanda instantânea no subsistema Sudeste/Centro-Oeste
2.3. Considerações Finais do Capítulo 37
as 14h23m. A causa se deve às altas temperaturas e ao índice de desconforto térmico, na
hora de maior insolação.
Portanto, embora as diferentes regiões do país apresentem climas e características
de consumo diferentes, em termos de consumo, o condicionamento de ambiente tem um
impacto médio muito próximo em todas as regiões do país.
2.3 Considerações Finais do Capítulo
Através dos dados apresentados é possível observar que os setores residencial, comer-
cial e público juntos apresentam uma fatia considerável no consumo de energia elétrica
do país. Sendo o condicionamento ambiental um dos usos finais de energia elétrica mais
significativos nesses setores. Aliando esse fato com os dados do Operador Nacional do
Sistema podemos garantir que, medidas de conservação de energia aplicadas ao condicio-
namento ambiental podem ter impactos bastante relevantes no consumo de edificações, e
consequentemente para o sistema elétrico brasileiro.
No próximo capítulo, serão apresentados os principais programas de conservação de
energia elétrica e as principais barreiras encontradas na difusão da eficiência energética.
39
3 Conservação de Energia
Neste capítulo serão avaliados o potencial de conservação de energia por parte de
sistemas de condicionamento de ar. Serão explorados os principais programas de eficiência
energética Brasileiro, seus principais métodos e resultados. Por fim, serão citadas as
principais barreiras encontradas para a conservação de energia e eficiência energética,
com enfoque nas edificações e equipamentos de condicionamento de ar.
3.1 Potencial de Conservação de Energia
Conforme visto no capítulo 2, o condicionamento de ambiente representa um consumo
significativo nos setores residencial, comercial e público, em todas as diversas regiões
do Brasil. Sendo que, a maior parte do condicionamento é feito a partir de unidades
individuais de pequeno porte split e janela.
De acordo com o Procel, o Condicionamento Ambiental é uma fonte potencial de
economia de grande importância em instalações comerciais, mediante a combinação da
redução da carga térmica, aliada ao uso de tecnologias eficientes de geração de frio e
melhor controle dos sistemas. (PROCEL, 2006)
Existem inúmeras justificativas e citações que mostram um grande potencial de con-
servação de energia por parte do condicionamento ambiental. No entanto, há necessidade
de buscar como explorar todo esse potencial e alcançar resultados significativos.
Uma das maneiras é a criação de um índice mínimo de eficiência energética para os
equipamentos condicionadores de ar. Dessa forma, é estabelecido um piso de eficiência
para os equipamentos, exigindo dos fabricantes equipamentos cada vez mais eficientes.
Aliado à criação de um índice mínimo, há a necessidade de se buscar uma mudança no
hábito de consumo da população e conscientização da necessidade de evitar o desperdício
e assim promover o uso eficiente de energia elétrica.
3.2 Programa Nacional de Conservação de Energia
Elétrica
Criado em 1985 pelo Ministério de Minas e Energia, o Programa de Conservação de
Energia Elétrica (Procel) é gerido pela Eletrobrás, com recursos da empresa, da Reserva
Global de Reversão (RGR) e entidades internacionais. Seu principal objetivo é promover
o uso eficiente da energia elétrica, combatendo o desperdício, reduzindo os custos e os
investimentos setoriais.
40 Capítulo 3. Conservação de Energia
Do ano de 1986 até 2007, a Eletrobrás-Procel investiu cerca de R$ 329,22 milhões nos
programas de eficiência energética, que somado aos recursos do RGR (R$ 627,56 milhões)
e a outros investimentos(R$ 37,49 milhões), totaliza uma quantia superior a R$ 1 bilhão.
Estima-se que estes investimentos geraram um saldo positivo em economia de energia em
torno de 28,53 bilhões de kWh/ano, o que equivale a uma usina de 6.841MW a menos no
sistema de geração de energia elétrica no país (VIANNA; RAMOS; PEREIRA, 2010).
De acordo com a Eletrobrás (2016), o Procel contribuiu para uma economia de 11,7
bilhões de kWh no ano de 2015, equivalente a 2,5% de todo o consumo nacional de
energia elétrica no ano. Tal economia, representa o equivalente a uma usina de 2.801 MW
e menos no sistema de geração, evitando a emissão de 1.453 milhões de toneladas de CO2
na atmosfera.
Embora criado para a eficiência energética na área de energia elétrica, atualmente o
Procel atua em diversas áreas com diversos programas, são eles:
• Procel Edifica: Eficiência Energética em Edificações;
• Procel GEM: Gestão Energética Municipal;
• Procel Sanear: Eficiência Energética no Saneamento Ambiental;
• Procel Educação: Informação e Cidadania;
• Procel Industria: Eficiência Energética Industrial;
• Procel EPP: Eficiência Energética nos Prédios Públicos;
• Procel Reluz: Eficiência Energética na Iluminação Pública e Sinalização Semafórica.
No ano de 1993, em parceria com o PBE, foi criado o selo Procel de Economia de
Energia, figura 14, com o intuito de identificar equipamentos com níveis ótimos de efici-
ência energética. O selo auxilia o consumidor a escolher equipamentos que atendam os
índices de eficiência de cada categoria. Para um equipamento obter o selo Procel, este
deve estar enquadrado na classe de eficiência energética ”A” da ENCE.
Figura 14 – Selo Procel de Economia de Energia.
3.3. Programa Brasileiro de Etiquetagem 41
3.3 Programa Brasileiro de Etiquetagem
Iniciado no ano de 1984 pelo Inmetro com a finalidade de contribuir com a raciona-
lização do uso da energia no Brasil através de informações que auxiliem o consumidor
na hora da compra, o PBE, a princípio criado para atender apenas a área automotiva,
cresceu e se tornou um programa de extrema importância, atuando principalmente em
produtos consumidores de energia elétrica.
É um importante programa de eficiência energética, que auxilia o consumidor a optar
por equipamentos mais eficientes na hora da compra. Na Etiqueta Nacional de Con-
servação de Energia (ENCE), figura 15, os equipamentos são classificados conforme o
coeficiente de eficiência energética. Constam também dados como tensão de alimenta-
ção, ciclo reverso ou não, modelo, marca, capacidade de refrigeração, e o consumo médio
mensal.
Com a criação da lei 10.295 de 17 de outubro de 2001, conhecida como Lei de Eficiência
Energética, o PBE passou a fazer exigências relacionadas ao desempenho de produtos,
estabelecendo índices mínimos de eficiência energética baseando-se no Comitê Gestor de
Indicadores e Níveis de Eficiência Energética (CGIEE).
Porém, somente no ano de 2007 o uso de um índice mínimo de eficiência energética
foi adotado. Foi estabelecido que, o Coeficiente de Eficiência Energética (CEE) seria
a razão entre a capacidade total de refrigeração, expressa em Watts, e a potência elé-
trica demandada, também expressa em Watts. Em inglês tal índice é conhecido como
Energy Efficiency Ratio (EER) ou ainda Coefficient of Performance (COP). (PEREIRA;
LAMBERTS; GHISI, 2013)
CEE = Capacidade Total de RefrigeraçãoPotência Elétrica (3.1)
Conforme portaria no 410 de 16 de agosto de 2013, foi determinado que no prazo de 2
anos da data de publicação dessa portaria, atacadistas e varejistas deverão comercializar
somente condicionadores de ar etiquetados de acordo com as novas classes de eficiência
energética, conforme figuras 71, 72 dos anexos.
42 Capítulo 3. Conservação de Energia
Figura 15 – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia.
O uso do índice de eficiência energética é a melhor ferramenta para avaliar e comparar o
desempenho e a eficiência de sistemas de condicionamento de ar. Desde o estabelecimento
de um valor mínimo, até os dias de hoje, é possível observar uma evolução nos índices de
eficiência energética dos equipamentos comercializados.
A partir de dados do Inmetro, é possível verificar ao longo do tempo o número de
equipamentos split cadastrados no programa PBE assim como sua respectiva classe de
eficiência energética, como mostra as figuras 16 e 17.
Figura 16 – Variação anual da classificação de ENCE de equipamentos split. (Dados do
Inmetro)
3.3. Programa Brasileiro de Etiquetagem 43
Figura 17 – Variação anual do número de ar condicionados cadastrados no PBE. (Dados
do Inmetro)
Observe que no ano de 2006, um ano antes de se estabelecer um índice mínimo de
eficiência energética, a maior parte dos equipamentos cadastrados no programa eram classe
B, sendo que o número de equipamentos classe A era próximo do número de equipamentos
classe C.
No ano de 2011, já se percebe um grande avanço. Os equipamentos classe A passaram
a ser a maior parte dos aparelhos catalogados, assim como houve um aumento significativo
do número de equipamentos cadastrados no PBE.
No ano de 2014, foi estabelecido um novo valor de índice mínimo, que passou de
2,39W/W para 2,60W/W, sendo esse valor utilizado até hoje. Foi determinada também a
extinção da classe E, representando uma diminuição na comercialização de equipamentos
menos eficientes.
Embora tenha havido um certo avanço desde o estabelecimento de um índice mínimo,
a eficiência dos equipamentos comercializados no Brasil ainda é muito baixa se comparada
a outros países. Os Estados Unidos, desde 2006, adotou um índice mínimo de 3,8W/W.
Embora seja um mercado mais maduro, a diferença de índices é muito elevada.
Em 2010, a China elevou seu índice mínimo para 3W/W.
Enquanto o equipamento mais eficiente avaliado pelo PBE apresenta coeficiente de
eficiência energética de 4,79 W/W, na China há equipamentos com valores superiores
a 6,0 W/W, e no Japão tal coeficiente ultrapassa o valor de 6,5 W/W. (PEREIRA;
LAMBERTS; GHISI, 2013)
A política de adoção de um índice mínimo de eficiência energética é uma ferramenta
muito importante para a conservação de energia e aumento da eficiência dos equipamentos
44 Capítulo 3. Conservação de Energia
comercializados no país. Porém, devem-se adotar critérios mais rigorosos de modo a se
obter resultados mais satisfatórios.
3.4 Eficiência Energética em Edificações
A comercialização e fabricação de equipamentos cada vez mais eficientes é um passo
fundamental para promover a conservação de energia. No entanto, o uso inadequado de
equipamentos pode comprometer toda a eficiência da instalação.
O consumo dos condicionadores de ar no Brasil é cerca de 25% a 45% mais alto que
o necessário devido a projetos inadequados, isto é, projetos elaborados sem levar em
consideração diversos fatores que influenciam no desempenho térmico do edifício como a
localização, entorno, radiação solar, características térmicas dos materiais dentre outros,
impondo a necessidade de se utilizar o condicionador de ar como estratégia para o conforto
térmico. (MORAES, 2013)
Roaf (2001) relata que nos Estados Unidos, anualmente mais de 40% da eletricidade
gerada é usada em sistemas de condicionamento de ambiente. O autor relata que é comum
engenheiros de aquecimento e ventilação não se preocuparem com as janelas fixas ao longo
de um edifício, pelo fato dos cálculos serem complexos. Assim, muitos edifícios usam o ar
condicionado durante todo o ano, enquanto talvez somente um, dois ou três meses seriam
necessários como estratégia para amenizar o desconforto.
Portanto, com o intuito de estabelecer requisitos mínimos de desempenho para os
edifícios comerciais, de serviços e públicos, foi criado no Brasil o Regulamento Técnico da
Qualidade do nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Público
(RTQ-C).
Com o objetivo de promover a máxima conservação de energiaem sistemas de condici-
onamento de ambiente de pequeno porte, serão apontados nesse trabalho todos os tópicos
da RTQ-C que impactam de maneira direta e indireta em sistemas de ar condicionado.
3.5 Barreiras na Difusão da Eficiência Energética
Em um estudo a respeito da eficiência energética por parte de aparelhos condiciona-
dores de ar, a Agência Internacional de Energia (IEA, 2007) traz na tabela 1 as principais
barreiras encontradas na propagação da eficiência energética.
Tabela 1 – Principais Barreiras na Difusão da Eficiência Energética em Países em Desen-
volvimento. Adaptado de IEA (2007).
Principais Barreiras para Difusão da Eficiência Energética em País em Desenvolvimento
3.5. Barreiras na Difusão da Eficiência Energética 45
Barreiras Políticas
Inexistência de uma instituição nacional para promover medidas de EE.
Falta de uma política fiscal que favoreça equipamentos mais eficientes.
Não utilização de um indice mínimo de eficiência energética.
Baixo preço na fatura de energia elétrica.
Barreiras Financeiras
Elasticidade de preço no mercado de eletrodomésticos.
Falta de incentivo financeiro e mecanismos para a fabricação de
equipamentos mais eficientes.
Barreiras de Mercado
Incerteza por parte dos fabricantes sobre a demanda de equipamentos
mais eficientes.
Falta de recursos por parte de pequenos fabricantes para desenvolver e
comercializar produtos mais eficientes.
Barreiras de Informação
Falta de conscientização no uso final de energia elétrica.
Falta de informação precisa a respeito do potencial de consumo
de equipamentos eficientes.
Falta de informação sobre os programas que promovem a EE.
Barreiras Tecnológicas
Falta da EE direcionada a P&D por parte dos fabricantes e institutos
de pesquisa.
Falta de equipamentos e laboratórios equipados para testes de EE.
Limitação do conhecimentos de EE entre engenheiros.
Barreira dos Velhos Desconfiança por parte de novos equipamentos.
Hábitos Dificuldade na mudança de hábitos e maneiras no uso de equipamentos.
Essas barreiras podem variar conforme características de cada país. O estudo da IEA
trata dois diferentes casos, primeiro um país sem fabricação de condicionadores de ar, e
segundo um país com fabricação própria.
Países sem fabricação de ar condicionado, sendo todos os equipamentos importados,
costumam encontrar barreiras políticas, barreiras de informação e de tecnologia. O estudo
cita o exemplo de Gana que não possui políticas fortes voltadas para educação do consumo
consciente, muito menos o uso de um índice mínimo de eficiência energética.
Por outro lado, países com fabricantes de aparelhos de ar condicionados costumam
encontrar barreiras financeiras e barreiras de mercado.
Bodach e Hamhaber (2010) em seus estudos sobre a eficiência energética na construção
de casas brasileiras, determina que as maiores barreiras encontradas são devido ao alto
investimento, à falta de políticas consistentes voltadas a esse mercado e a um mercado
fortemente fragmentado que desempenha papel importante na obstrução da eficiência
energética.
Souza (2012) define estratégias para vencer as barreiras encontradas e assim promover
a eficiência energética nos edifícios, são elas:
• Formar, educar, consciencializar;
• Tornar a utilização da energia mais transparente;
46 Capítulo 3. Conservação de Energia
• Proporcionar fácil acesso, financiamento de baixo custo;
• Atualizar persistentemente as políticas de eficiência energética dos edifícios;
• Alinhar os incentivos entre os fornecedores de serviços de energia e clientes;
• Incentivar a criação e desenvolvimento de agências de energia e a sua proximidade
aos cidadãos;
• Incentivar a reabilitação urbana;
• Promover o Smart Metering permitindo definir perfis de consumo e alertar continu-
amente sobre eventuais excessos e desperdícios.
Hoje, com o intuito de diminuir a barreira financeira e permitir projetos voltados
para a eficiência energética por pequenas ou medias empresas e corporações, existem
linhas de credito e financiamento para projetos desse tipo. O BNDES, Banco Nacional
do Desenvolvimento, juntamente com o cartão BNDES é um dos principais credores para
esses projetos.
Devido à lei 9991/2000 as concessionárias de energia elétrica são obrigadas a investir
1% de suas receitas líquidas operacionais em projetos voltados a eficiência energética e
em programas de pesquisa e desenvolvimento no setor elétrico.
3.6. Considerações Finais do Capítulo 47
3.6 Considerações Finais do Capítulo
A adoção de um coeficiente de eficiência energética mínimo foi um passo importante
na promoção da conservação de energia por parte de equipamentos condicionadores de
ar. O PBE juntamente com o selo Procel também apresentaram resultados importantes.
Por outro lado, com a criação do RTQ é possível ampliar a eficiência energética também
para as edificações, que são peça chave no processo de condicionamento de ar.
Apesar desses programas de eficiência energética apresentarem resultados significati-
vos, ainda existem inúmeras barreiras que dificultam a difusão da eficiência energética.
Essas barreiras podem variar conforme cada país, sendo necessária uma análise minuciosa
e abrangente.
De modo a garantir um melhor entendimento no processo de condicionamento de ar
serão vistos no próximo capítulo algumas definições que serão de extrema importância
para a compreensão dos assuntos abordados nos capítulos seguintes.
49
4 Fundamentos Teóricos
Neste capítulo serão feitas definições importantes para um melhor entendimento do
RTQ e funcionamento do ar condicionado. Serão explanados os principais tipos de com-
pressores utilizados para pequenas unidades de refrigeração e também, questões de insta-
lações elétricas importantes como fator de potência e qualidade de energia elétrica.
4.1 Definições
Para um melhor entendimento do RTQ (INMETRO, 2010), são feitas algumas defini-
ções importantes.
4.1.1 Abertura
Todas as áreas da envoltória do edifício, com fechamento translúcido ou transparente
(que permite a entrada da luz), incluindo janelas, painéis plásticos, clarabóias, portas de
vidro (com mais da metade da área de vidro) e paredes de blocos de vidro. Excluem-se
vãos sem fechamentos, elementos vazados como cobogós e caixilhos.
4.1.2 Ambiente Condicionado
Ambiente fechado (incluindo fechamento por cortinas de ar) atendido por sistema de
condicionamento de ar.
4.1.3 Ângulo de Sombreamento
Ângulos que determinam a obstrução à radiação solar gerada pela proteção solar nas
aberturas. No RTQ são usados dois ângulos: ângulo vertical de sombreamento (AVS -
referente a proteções horizontais) e ângulo horizontal de sombreamento (AHS - referente
a proteções verticais).
4.1.4 Ângulo Horizontal de Sombreamento (AHS)
Ângulo formado entre dois planos verticais:
• o primeiro plano é o que contém a base da folha de vidro (ou material translúcido);
• o segundo plano é formado pela extremidade mais distante da proteção solar vertical
e a extremidade oposta da base da folha de vidro (ou material translúcido).
50 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
Figura 18 – Ilustração demonstrando dois AHS de 10 graus. Fonte: Procel (2010).
4.1.5 Ângulo Vertical de Sombreamento (AV S)
Ângulo formado entre dois planos que contêm a base da abertura:
• o primeiro é o plano vertical na base da folha de vidro (ou material translúcido);
• o segundo plano é formado pela extremidade mais distante da proteção solar hori-
zontal até a base da folha de vidro (ou material translúcido).
Figura 19 – Ilustração demonstrando um AVS de 45 graus. Fonte: Procel (2010).
4.1.6 Área Condicionada (AC) (m2)
Área útil dos ambientes condicionados.
4.1. Definições 51
4.1.7 Área Não Condicionada (ANC) (m2)
Área útil dos ambientes não condicionados de permanência prolongada.
4.1.8 Área da envoltória (Aenv) (m2)
Soma das áreasdas fachadas, empenas e cobertura, incluindo as aberturas.
4.1.9 Capacidade Térmica (CT)
Quantidade de calor necessária para variar em uma unidade a temperatura de um
sistema.
4.1.10 Coeficiente de Performance (COP)
É a razão entre o calor fornecido ou retirado do ambiente e a energia elétrica consumida.
4.1.11 Coletor Solar
Dispositivo que absorve a radiação solar incidente, transferindo-a para um fluido de
trabalho, sob a forma de energia térmica.
4.1.12 Densidade de Carga Interna (DCI) (W/m2)
É aquela proporcionada pela ocupação dos ambientes ou edifício e pelo uso de equi-
pamentos e da iluminação.
4.1.13 Densidade de Potência de Iluminação (DPI) (W/m2)
Razão entre o somatório da potência de lâmpadas e reatores e a área de um ambiente.
4.1.14 Densidade de Potência de Iluminação Limite (DPIL) (W/2)
Limite máximo aceitável de DPI.
4.1.15 Envoltória (Env)
Planos que separam o ambiente interno do ambiente externo.
4.1.16 EqNum - Equivalente Numérico
Número representativo da eficiência de um sistema.
52 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
4.1.17 Fachada
Superfícies externas verticais ou com inclinação superior a 60 graus em relação à
horizontal. Inclui as superfícies opacas, paredes, translúcidas, transparentes e vazadas,
como cobogós e vãos de entrada.
4.1.18 Fachada Oeste
Fachada cuja normal à superfície está voltada para a direção de 270 graus em sentido
horário a partir do norte geográfico. Fachadas cuja orientação variar de ±45 graus em
relação a essa orientação serão considerados como fachadas oeste.
4.1.19 Fator de Altura (FA)
Razão entre a área de projeção da cobertura e a área total construída (Apcob/Atot),
com exceção dos subsolos.
4.1.20 Fator de Forma (FF )
Razão entre a área da envoltória e o volume total da edificação (Aenv/Vtot).
4.1.21 Fator Solar
Razão entre o ganho de calor que entra num ambiente através de uma abertura e a
radiação solar incidente nesta mesma abertura. Inclui o calor radiante transmitido pelo
vidro e a radiação solar absorvida, que é re-irradiada ou transmitida, por condução ou
convecção, ao ambiente.
4.1.22 Paredes Externas
Superfícies opacas que delimitam o interior do exterior da edificação; esta definição
exclui as aberturas.
4.1.23 Percentual de Abertura Zenital (PAZ) (%)
Percentual de área de abertura na cobertura. Refere-se exclusivamente a aberturas
em superfícies com inclinação inferior a 60 graus em relação ao plano horizontal. Deve-se
calcular a projeção horizontal da abertura. Acima desta inclinação, ver PAFT .
4.1. Definições 53
Figura 20 – Ilustração demonstrando abertura zenital em uma superfície com inclinação
de 15 graus. Fonte: Procel (2010).
4.1.24 Percentual de Área de Abertura na Fachada Oeste (PAFO)
(%)
É calculado pela razão entre a soma das áreas de abertura envidraçada, ou com fecha-
mento transparente ou translúcido, da fachada oeste e a área da fachada oeste.
4.1.25 Percentual de Área de Abertura na Fachada total (PAFT)
(%)
É calculado pela razão entre a soma das áreas de abertura envidraçada, ou com fecha-
mento transparente ou translúcido, de cada fachada e a área total de fachada da edificação.
Refere-se exclusivamente a aberturas em paredes verticais com inclinação superior a 60
graus em relação ao plano horizontal, tais como janelas tradicionais, portas de vidro ou
sheds, mesmo sendo estes últimos localizados na cobertura. Exclui área externa de caixa
d’água no cômputo da área de fachada, mas inclui a área da caixa de escada até o ponto
mais alto da cobertura.
4.1.26 Pontuação Total (PT )
Pontuação total alcançada pelo edifício.
4.1.27 Sistema de Condicionamento de Ar (CA)
Processo de tratamento de ar destinado a controlar simultaneamente a temperatura,
a umidade, a pureza e a distribuição de ar de um meio ambiente.
54 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
4.1.28 Transmitância térmica (W/(m2K))
Transmissão de calor em unidade de tempo e através de uma área unitária de um
elemento ou componente construtivo, neste caso, de componentes opacos das fachadas
(paredes externas) ou coberturas, incluindo as resistências superficiais interna e externa,
induzida pela diferença de temperatura entre dois ambientes.
4.1.29 Transmitância Térmica da Cobertura (Ucob) (W/(m2K))
Transmitância térmica das coberturas do edifício.
4.1.30 Transmitância Térmica das Paredes (Upar) (W/(m2K))
Refere-se à transmitância de paredes externas somente.
4.1.31 Zonas Bioclimáticas
As zonas bioclimáticas são algumas regiões geográficas homogênea quanto aos elemen-
tos climáticos que interferem nas relações entre ambiente construído e conforto humano.
São definidas pela NBR 15220-3, que divide o território brasileiro em 8 zonas bio-
climáticas e apresenta uma série de recomendações técnico-construtivas que otimizam o
desempenho térmico das edificações através de sua melhor adequação climática. (ABNT,
2003)
As seguinte zonas bioclimáticas são definidas na figura 73 em Anexos.
4.2 Ciclos de Refrigeração
4.3 Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de
Vapor
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é o mais utilizado para condiciona-
mento de ambientes e refrigeração de produtos. Esse ciclo é dividido em 4 processos,
conforme mostrado na figura 21.
Inicia-se o processo no compressor, onde o fluido refrigerante é comprimido até que se
atinja a pressão de condensação. Ao sair do compressor, o fluído refrigerante passa a uma
temperatura maior que a temperatura de condensação. Normalmente, em condicionadores
de ar a temperatura máximo de condensação é de 10 a 13 ◦C acima da temperatura
ambiente, conforme tabela 2.
Na unidade condensadora, ocorre o processo de rejeição de calor a uma pressão cons-
tante. Neste processo o vapor é resfriado, através de transferência de calor com o meio
4.4. Compressores de Sistemas de Refrigeração 55
externo, até atingir a temperatura de condensação e consequentemente, condensado até
o estado de líquido saturado.
No dispositivo de expansão ocorre a expansão do fluido refrigerante. A pressão do
fluído cai até atingir a pressão de vaporização (baixa pressão). Em condicionadores de ar,
essa temperatura está em torno de +7 ◦C.
Na unidade evaporadora, ocorre um processo de transferência de calor a uma pressão
e temperatura constante. Esse processo ocorre até o fluido refrigerante, que ao chegar na
unidade evaporadora está no estado de vapor úmido, passa a ser vapor saturado, e assim,
retorna ao compressor e reinicia todo o ciclo.
Figura 21 – Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor. Fonte: GENIER, DA
COSTA e DA COSTA JR (2013).
4.4 Compressores de Sistemas de Refrigeração
O compressor é talvez um dos componentes mais importantes no ciclo de refrigeração.
Sua função é comprimir o gás refrigerante, de modo a aumentar a pressão do fluído e
promover sua circulação pelo sistema. Embora existam diversos tipos de compressores,
todos executam a mesma tarefa, diferenciando apenas algumas características de projeto.
Desta forma, deve-se avaliar para uma dada aplicação, qual tipo de compressor é mais
indicado. Em sistemas de refrigeração, a escolha do compressor depende da capacidade
da instalação, em termos de temperatura de vaporização e fluído utilizado.
Os principais tipos de compressores utilizados são: alternativo, palheta ou rotativo,
scroll, parafuso e centrífugo, também chamado de turbo-compressor. De acordo com a ca-
racterística do processo de compressão do compressor, estes podem ainda ser classificados
como de deslocamento positivo ou maquinas de fluxo.
Compressores de deslocamento de positivo aumentam a pressão do sistema através da
redução do volume interno da câmara de compressão por meio de uma força mecânica
56 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
aplicada. São compressores de deslocamento de fluxo os alternativos, parafusos, rotativos
e scrolls.
Compressoresdo tipo máquina de fluxo, o aumento de pressão se deve pela conversão
de pressão dinâmica em pressão estática. Em refrigeração, o único compressor desse tipo,
é o compressor centrifugo.
Em sistemas de refrigeração, os compressores podem ser do tipo hermético, semi-
hermético ou aberto. O compressor hermético possui o compressor e o motor construídos
em uma mesma carcaça e se tem apenas acesso aos fios de ligação do motor. Este tipo de
compressor opera exclusivamente com refrigerantes halogenados, sendo que o resfriamento
do enrolamento do motor é realizado através do contato com o vapor de fluido refrigerante.
São encontrados em refrigeradores domésticos e condicionadores de ar com potencias da
ordem de até 30kW .
O compressor semi-hermético, similar ao hermético, porém permite o acesso das vál-
vulas e pistões através da remoção do cabeçote. Nos compressores do tipo aberto, o
compressor e o motor são partes distintas, onde geralmente, o compressor é acionado
através do motor elétrico por um conjunto de polias e correias. Este tipo de compressor é
adequado para operar com amônia, podendo também utilizar refrigerantes halogenados.
Este tipo de compressor é muito utilizado em refrigeração para transporte de cargas e
condicionadores de ar automotivo, onde o compressor é acionado por motor a gasolina ou
diesel.
O acionamento de compressores do tipo hermético e semi-hermético é quase que ex-
clusivamente por motor elétrico de indução de gaiola. No caso dos compressores abertos,
podem ser utilizados uma gama maior de motores, uma vez que esse tipo de compressor
permite mais flexibilidade.
Figura 22 – Exemplo de compressor hermético.
4.4. Compressores de Sistemas de Refrigeração 57
Figura 23 – Exemplo de compressor semi-hermético.
De modo a manter o bom funcionamento do compressor, alguns valores máximos de
temperatura de trabalho devem ser respeitados. Estes valores limites seguem na tabela
2.
Tabela 2 – Temperaturas de Trabalho. Adaptado de Portal da Refrigeracao (2014).
Condensação 10 a 13 ◦C acima da temperatura ambiente
Sucção 3 a 5 ◦C abaixo da temperatura ambiente
Descarga do Compressor menor que 120 ◦C
Domo do Compressor menor que 110 ◦C
Bobinado do Compressor menor que 130 ◦C
Respeitar os limites de temperatura implica em (Portal da Refrigeracao, 2014):
• Temperatura de Condensação: Garante uma boa troca térmica com o meio externo
e mantem os limites de pressão de descarga recomendados ao compressor.
• Temperatura de Sucção: Evita o retorno de líquido ao compressor e o aquecimento
excessivo do fluído de retorno.
• Temperatura de Descarga do Compressor: Se elevada, pode causar a carbonização
do óleo nas válvulas do compressor, causando falha em seu funcionamento.
• Temperatura do domo do compressor: Seu controle garante que as temperaturas
internas do compressor estejam dentro de limites aceitáveis.
• Temperatura do bobinado do compressor: Seu controle garante a eficiência da iso-
lação do enrolamento do motor do compressor.
58 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
Uma vez que este trabalho se trata de sistemas de condicionamento de ar individual
de pequeno porte, será dado um enfoque maior para compressores alternativo e rotativo,
hermético.
4.4.1 Compressor Alternativo
Compressores alternativos são talvez o tipo mais clássico de compressor que exista. São
utilizados em sistemas de pequena e média capacidade, podendo variar de 1 até 700 kW .
São utilizados os refrigerantes HCFC-22, HFC-134a, HFC-404A, HFC-407A e HFC-407C
em sistemas de ar condicionado para conforto e processos, enquanto que o refrigerante
R-717 é utilizado em sistemas industriais. Esses compressores podem ser:
• de simples ação: o cilindro possui uma única câmara de compressão, ou seja, em
cada revolução, há uma sucção e uma compressão;
• de ação dupla: o cilindro é divido em duas câmaras separadas pelo pistão, de um
lado do cilindro há uma compressão, enquanto que do outro lado do pistão há uma
descarga, ou seja, em cada revolução, ocorre duas sucções e duas descargas;
• de um ou mais cilindros;
• abertos, herméticos ou semi-herméticos;
• horizontais, verticais, em V, em W, ou radiais.
Figura 24 – Diagrama ilustrativo de um compressor alternativo de ação dupla. Fonte:
Vale (2016).
Neste tipo de compressor, o movimento do pistão é sincronizado com o fechamento e
abertura das válvulas de sucção e descarga, ambas unidirecionais. Primeiro a válvula de
sucção é fechada e o pistão começa a comprimir o gás refrigerante, até que, em determinada
pressão, a válvula de descarga é aberta, conforme mostrado na figura 25.
4.4. Compressores de Sistemas de Refrigeração 59
Figura 25 – Funcionamento de um compressor alternativo de simples ação. Fonte: Ven-
turini e Pirani (2005).
Na figura 26 temos a variação da potência e do trabalho de compressão em função da
temperatura de evaporação. Observe que a potência apresenta valor nulo em dois pontos.
O primeiro corresponde a vazão nula, enquanto que o segundo ponto, corresponde a
condição de temperatura de evaporação igual a de condensação. Entre esses dois pontos
a curva atinge uma potência máxima.
Figura 26 – Trabalho de compressão e potência de um compressor ideal em função da
temperatura de evaporação, com temperatura de condensaçao de 35 ◦C e
refrigerante R22. Fonte: Venturini e Pirani (2005).
60 Capítulo 4. Fundamentos Teóricos
A grande maioria de sistemas frigoríficos trabalha a esquerda do ponto de máximo.
No início do processo, a temperatura no evaporador tende a ser alta, e a potência é
máxima. Muitas vezes, os motores são superdimensionados de modo a suportar essa
potência máxima, algo que pode ser evitado reduzindo-se artificialmente a pressão de
evaporação por meio de um dispositivo de estrangulamento.
Em operação plena, cargas térmicas elevadas aumentam a temperatura de evaporação,
consequentemente, a potência de compressão, podendo sobrecarregar o motor.
Atualmente, esse tipo de compressor, em sistemas de condicionadores de ar, vem sendo
substituído pelos compressores rotativos e scroll. O motivo é pelo compressor alternativo
apresentar elevado nível de ruído, maior consumo e vida útil reduzida.
4.4.2 Compressor Rotativo
No compressor rotativo, também chamado compressor de palheta, a linha de centro do
eixo de acionamento coincide com a do cilindro, porém é excêntrica em relação ao rotor,
de maneira que o rotor e o cilindro permanecem em contato a medida que gira. Uma
palheta simples, acionada por mola, divide as câmaras de aspiração e descarga.
Figura 27 – Ilustração construtiva de um compressor rotativo. Fonte: Venturini e Pirani
(2005).
Atualmente, este tipo de compressor é o mais utilizado em aparelhos condicionadores
de ar do tipo janela e split de até 30.000 Btu/h. Devido ao movimento rotativo, esse
compressor apresenta menor ruído se comparado ao alternativo, assim como, um menor
esforço.
O refrigerante utilizado para esse tipo de compressor é o R-22 (HCFC).
4.5. Tecnologia Inverter 61
4.5 Tecnologia Inverter
A tecnologia inverter vem sendo cada vez mais difundida no mercado, e hoje é sinô-
nimo de eficiência e economia de energia. Fabricantes garantem que equipamentos com
a tecnologia inverter podem significar um consumo de até 40% de energia elétrica, se
comparado ao um equipamento convencional.
Essa tecnologia é aplicada a condicionadores de ar split com compressores rotativos.
Trata-se de um inversor de frequência que permite a variação na rotação do compressor,
a partir do controle de velocidade do motor elétrico, conforme a temperatura desejada é
atingida. Ao contrário de um equipamento convencional, que a partir de um termostato,
liga e desliga o compressor conforme a temperatura desejada é atingida, o compressor
nunca desliga, garantindo uma certa estabilidade na temperatura do ambiente a ser refri-
gerado além de um baixíssimo nível de ruído.
As vantagens