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Determinação da Fatura de Energia Elétrica de
Uma Unidade Consumidora Utilizando o
Software Energyplus
Arnulfo Barroso Vasconcellos, Dr.; Fernando Novelo, Acad.;
Luciana Oliveira da Silva, Eng.; Antônio Rafael de Melo Buosi, Acad.; Erika Tiemi Anabuki,
Acad.
Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT
Teresa I. R. C. Malheiro, PhD.
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso – IFMT.
1Resumo — Através de um caso real, este artigo tem como
objetivo, realizar um comparativo entre a estimativa da Fatura de
Energia Elétrica pelo método Convencional e através da Utilização
do Software Energyplus da Rádio e TV Senado, que estão
instaladas nas dependências do Campus da Universidade Federal
de Mato Grosso. No método Convencional, multiplica-se a
Demanda de Potência Ativa média dos diversos tipos de
equipamentos presentes na U.C. pelo tempo de utilização para o
calculo do consumo de energia elétrica Ativa; Assim como, se soma
a potência ativa de todos os equipamentos para a determinação da
Demanda de Potência Ativa a ser contratada, sem levar em
consideração as características da edificação, tais como, dimensões,
espessura e cor da parede, tipo de cobertura, número de ocupantes
do ambiente, condições climáticas da região, etc. Diferentemente de
quando se utiliza o Energyplus para simulação de carga térmica,
consumo de energia elétrica ativa, estimativa de demanda de
Potência Ativa, enquadramento tarifário, que considera a
condução de calor transiente através dos elementos do prédio como
paredes, tetos, pisos, etc, usando funções de transferência; modelo
de conforto térmico, baseado na atividade, temperatura de bulbo
seco interna, umidade, entre outros.
Palavras chaves — Demanda, Consumo de Energia Elétrica,
Energyplus, Mercado Cativo de Energia, Tarifação Energética,
Legislação, Gerenciamento de Faturas Energéticas.
I.
INTRODUÇÃO
O
Energyplus é um programa computacional, criado a partir
dos programas BLAST e DOE-2 e distribuído pelo
Departamento de Energia dos Estados Unidos, desenvolvido
para simulação de carga térmica, consumo de energia elétrica
ativa , estimativa de demanda de Potência Ativa e o
enquadramento tarifário mais adequado e a análise energética de
edificações e seus sistemas. O programa possui capacidade de
simulação diferenciada, tais como “time-step” de cálculo menor
que uma hora, sistema modular, possibilidade de cálculo de
infiltração de ar diferenciada para cada zona térmica, cálculo de
índices de conforto térmico e integração com outros sistemas
A. B. de Vasconcellos (e-mail: [email protected]);
F. Novelo (e-mail: [email protected]);
L. O. Silva (e-mail: [email protected]);
A. R. M. Buosi (e;mail: [email protected]);
E.T. Anabuki (e-mail: [email protected])
T. I. R. C. Malheiro (e-mail: [email protected])
(fotovoltaico, aquecimento solar, etc...).
O programa Energyplus apresenta algumas características
que o colocam à frente de diversos programas de simulações
termo-energéticas, como:
a) Solução simultânea e integrada em que a resposta do
prédio e o sistema primário e secundário estão acoplados;
b) Intervalos de tempos definidos pelo usuário, com fração de
hora, para interação entre as zonas térmicas e o ambiente e
intervalos de tempo variável para interação entre a zona térmica
e o sistema HVAC (automaticamente variável para assegurar
uma solução estável);
c) Arquivos de entrada, saída e climática que incluem
condições ambientais horárias ou sub-horárias (até um quarto de
hora) e relatórios padrões reajustáveis pelo usuário;
d) Técnica de solução baseada no balanço de energia para as
cargas térmicas prediais, que permite o cálculo simultâneo dos
efeitos radiante e convectivo na superfície interior e exterior,
durante cada intervalo de tempo;
e) Condução de calor transiente através dos elementos do
prédio como paredes, tetos, pisos, etc, usando funções de
transferência; modelo de conforto térmico, baseado na
atividade, temperatura de bulbo seco interna, umidade;
f) Modelo de céu anisotrópico para cálculos mais complexos
da radiação difusa sobre superfícies inclinadas;
g) Cálculo de balanço de calor de janelas que permite o
controle eletrônico de persianas, balanço térmico camada por
camada, o que permite a identificação do comprimento de onda
da energia solar absorvida pelo vidro da janela;
h) Possui uma biblioteca versátil com diversos modelos
comerciais de janela; controle da luz do dia, incluindo cálculos
da iluminância interior, controle dos brilhos das luminárias e do
efeito da iluminação artificial;
i) Sistemas de condicionamento de ar configuráveis, que
permitem ao usuário simular sistemas típicos comuns e sistemas
poucos modificados, sem ter que recompilar o código fonte do
programa; entre outras.
j) Permite a Simulação para determinar o Consumo de
energia elétrica e a Demanda de Potência Ativa de uma
Edificação com todos seus equipamentos internos e
características construtivas.
Além disso, o programa Energyplus integra vários módulos
que trabalham juntos para calcular a energia requerida para
2
aquecer ou resfriar um edifício usando uma variedade de
sistemas e fontes de energia. Ele faz isso simulando o edifício e
os sistemas associados em diferentes condições ambientais e
operacionais. A essência da simulação está no modelo do
edifício que utiliza princípios fundamentais de balanço
energético.
Nesse contexto, o presente artigo apresenta os resultados
obtidos através de simulações de faturamento de uma
Edificação na qual estão instaladas a estação retransmissora da
Rádio e TV Senado, dentro do Campus da Universidade Federal
de Mato Grosso, através do método convencional e utilizando o
Software Energyplus e analisando o valor da Fatura da Energia
Elétrica da edificação obtidas da utilização de ambos os
métodos.
II.
ESTIMATIVA DA FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA DA
RÁDIO E TV S ENADO ATRAVÉS DE EQUAÇÕES
MATEMÁTICAS RELATIVAS À TARIFA HORO-SAZONAL
VERDE
Para fazer a estimativa de Consumo de Energia Elétrica
Ativa e Demanda de Potência Ativa da Edificação onde estão
instalados a Rádio e TV Senado foi realizado o levantamento
das cargas instaladas mais significativas presentes no local e
que estão descritas abaixo.
1. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica de um
Condicionador
O sistema de refrigeração da edificação é composto por
três condicionadores de ar Split de 60.000 BTU da marca
Hitachi, modelo RAA 04B5S, série RAA 0704-465-147 que
possui uma Demanda de Potência Ativa de 4,08 kW conforme
dados de placa do fabricante
Considerando que o Condicionador de ar funciona durante
30 dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3
horas por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas
que é o horário de ponta da Unidade Consumidora onde está
localizada a edificação da Rádio e TV Senado), que são
característica da tarifa horo-sazonal verde da U. C. tem-se:
1.1. Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta
O consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta
foi calculado através da equação (1).
CAP = Potência Ativa x N° horas da Ponta x 22 Dias (1)
CAP = 4,08 kW x 3 horas x 22 Dias
CAP = 269,28 kWh/Mês.
Considerando que nas dependências onde estão instalados
a Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de mesma
Potência, portanto o consumo total de energia elétrica ativa
mensal no horário de ponta será obtido através da equação 2:
CAP = 3 x 269,28 kWh = 807,84 kWh/Mês
(2)
1.2. Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de
ponta
O Consumo de energia elétrica ativa no horário fora de ponta
é obtido pela equação (3).
CAFP = Potência Ativa x N° horas fora de Ponta x 30 Dias (3)
CAFP = 4,08 kW x 21 horas X 30 Dias
CAFP = 2570,40 kWh/Mês.
Considerando que nas dependências onde estão instalados a
Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de mesma
Potência, o consumo total de energia elétrica ativa mensal no
horário fora de ponta será obtido através da equação (4):
CAFP = 3 x 2570,40 kWh = 7711,20kWh/Mês
(4)
2. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de um
transmissor de Rádio.
O transmissor da rádio é da marca Teclar, modelo Tec 112,
3com potencia ativa de 5 kW, conforme dados de placa do
fabricante.
Considerando que o transmissor de Rádio funciona durante
30 dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3
horas por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas),
o consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta é dado
pela equação (5) e o consumo de energia elétrica ativa no
horário fora de ponta por (6).
2.1. Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta
CAP = Potência Ativa x N° horas da Ponta x 22 Dias (5)
CAP = 5 kW x 3 horas x 22 Dias
CAP = 330 kWh/Mês.
2.2. Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de
ponta
CAFP = Pot. Ativa x N° horas fora de Ponta x 30 Dias (6)
CAFP = 5,0 kW x 21 horas x 30 Dias
CAFP = 3150 kWh/Mês.
3. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de um
transmissor de TV da marca Telavo, do modelo RTV 10000T,
de Potência Ativa de 10 kW conforme dados de placa do
fabricante.
Considerando que o transmissor de TV funciona durante 30
dias, 21 horas por dia no horário fora de ponta e 22 dias, 3 horas
por dia no horário de ponta (19:00 horas às 22:00 horas)
característica da tarifa horo-sazonal verde, o consumo na ponta
e fora de ponta serão fornecidos através das equações 7 e 8
respectivamente:
3.1. Consumo de energia elétrica ativa no horário de ponta
CAP = Potência Ativa x N° horas da Ponta x 22 Dias (7)
CAP = 10 kW x 3 horas x 22 Dias
CAP = 660 kWh/Mês.
3
3.2. Consumo de energia elétrica ativa no horário Fora de
ponta
D2 = 5kW
8.
CAFP = Pot. Ativa X N° horas fora de Ponta X 30 Dias (8)
CAFP = 10 kW x 21 horas x 30 Dias
CAFP = 6300 kWh/Mês.
4. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa de 6
luminárias, sendo que cada luminária possui duas lâmpadas de
32W com reator eletrônico, funcionando em média 8 horas por
dia no horário fora de ponta, utilizando a equação (9)
4.1. Consumo de Energia Elétrica Ativa no horário Fora de
Ponta.
CAFP = Potência Ativa x N° horas fora de Ponta x 30 Dias (9)
CAFP = 0,384 kW x 8 horas x 30 Dias
CAFP = 92,12 kWh/Mês.
Demanda de potência ativa de um transmissor de TV da
marca Telavo, do modelo RTV 10000T, de Potência Ativa
de 10kW conforme dados de placa do fabricante.
8.1. Demanda de Potência Ativa.
D3 = 10 kW
9.
Demanda de potência ativa de 6 luminárias, sendo que
cada luminária possui duas lâmpadas de 32W com reator
eletrônico.
D4 = 0,384kW
10. Cálculo da demanda de potência Ativa total devido a todos
os equipamentos relacionados acima:
10.1. Demanda de Potência Ativa TOTAL:
5. Cálculo do Consumo de Energia Elétrica Ativa Total nos
horários de ponta e fora de ponta devido a todos os
equipamentos relacionados acima:
5.1. Consumo de energia elétrica Ativa TOTAL no horário
de ponta
CA TP = 807,84 kWh/Mês + 330 kWh/Mês + 660 kWh/Mês
CA TP = 1.797,84 kWh/Mês
5.2. Consumo de energia elétrica Ativa TOTAL no horário
Fora de Ponta
CA TFP = 7711,20 kWh/Mês + 3150 kWh/Mês + 6300 kWh/Mês
+ 92,12 kWh/Mês.
CA TFP = 17.253,32 kWh/Mês
DT = D1 + D2 + D3 + D4
DT = 27,624 kW
11. Cálculo do valor do faturamento da edificação utilizando a
modalidade tarifária horo-sazonal verde, tendo como base
o consumo de energia elétrica ativa e a demanda de
potência ativa solicitada pelos equipamentos utilizados
pela Rádio e TV Senado.
Os valores em Reais da energia em kWh e da demanda
de potência ativa em kW, foram obtidos na RESOLUÇÃO
HOMOLOGATÓRIA DA ANEEL, Nº 1.131, DE 5 DE ABRIL
DE 2011 EM VIGOR DE 8 DE ABRIL DE 2011 A 7 DE
ABRIL DE 2012, referentes a tarifa horo-sazonal verde.
VF = [( CAP.TCP) + ( CAFP .TCFP) + ( DF.TD)].I
6. Demanda de Potência Ativa de um Condicionador de ar
Split de 60.000 BTU da marca Hitachi, modelo RAA
04B5S, série RAA 0704-465-147, com uma Potência Ativa
de 4,08 kW conforme dados de placa do fabricante.
6.1. Demanda de Potência Ativa
D = 4,08kW
Considerando que nas dependências onde estão instalados
a Rádio e TV Senado existem três Condicionadores de Ar de
mesma Potência, então a demanda total de potência ativa será:
D1 = 3 x 4,08 = 12,24kW
7. Demanda de potência ativa de um transmissor de Rádio da
marca Teclar, modelo Tec 112, de Potência Ativa de 5 kW,
conforme dados de placa do fabricante.
7.1. Demanda de Potência Ativa
(10)
Onde:
VF = Valor do faturamento
CAP: Consumo de Energia Ativa no horário de Ponta
CAFP : Consumo de Energia Ativa no horário Fora de Ponta
DF: Demanda Faturável
TCP: Tarifa de Consumo de Energia Elétrica Ativa no horário
de Ponta:
TCFP: Tarifa de Consumo de Energia Elétrica Ativa no
horário Fora de Ponta
TD: Tarifa de Demanda
I: Imposto (ICMS + COFINS + PIS)
Considerando o valor da Demanda Faturável de 27,64kW e
os consumos nas ponta e fora de ponta, respectivamente,
1.797,84 kWh/Mês e 17.253,32 kWh/Mês e o valor dos
Impostos (ICMS + COFINS + PIS) equivalente a
aproximadamente 63% do valor faturado da Demanda de
Potência Ativa e Consumo de Energia Elétrica Ativa na Ponta e
Fora de Ponta, obtêm-se a partir da equação (10) os valores
totais da fatura mensal e anual de energia elétrica da U.C,
respectivamente:
4
Total da fatura Mensal de energia elétrica com os
impostos:
VF = 9.328,47 R$ / Mês
Total da fatura Anual de energia elétrica com os
impostos:
VF = 111.941,64 R$ / Ano
III.
ESTIMATIVA DA FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA DA
RÁDIO E TV S ENADO ATRAVÉS DA MODELAGEM DA
EDIFICAÇÃO COM S EUS RESPECTIVOS EQUIPAMENTOS
NO S OFTWARE E NERGYPLUS.
Para fins de simulação computacional da edificação da rádio
e TV ilustrada na Figura 1, analisou-se a edificação com
funcionamento o mais próximo do real, considerando uma
ocupação média de 3 pessoas, carga de iluminação de 0,384
kW, carga de equipamentos de refrigeração 12,24 kW, carga de
equipamentos da rádio senado 5,0kW, carga de equipamentos
da TV senado 10,0 kW e um horário de funcionamento de 24
horas por dia durante 30 dias. As características físicas da
edificação foram preservadas. O termostato do sistema de
refrigeração foi configurado para a temperatura de 25°C.
Utilizou-se o arquivo de dados climáticos de Cuiabá-MT,
cidade que apresenta condições climáticas caracterizadas por
duas estações bem definidas, sendo uma seca e outra chuvosa,
ventilação fraca, sendo predominantemente quente durante o
ano todo.
Figura 1 – Edificação da Rádio e TV Senado simulada no programa
Energyplus com uma área de 31m2
Figura 3 – Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e TV
Senado no mês julho/2011
Figura 4 – Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e
TV Senado no mês outubro/2011
Através da análise mais detalhada das figuras 2, 3 e 4 esta
alteração da temperatura interna em relação à externa influencia
no consumo de energia elétrica ativa e consequentemente na
Demanda de Potência Ativa solicitada pela edificação. Isto pode
ser observado na figura 5 que mostra o comportamento do
consumo de energia elétrica Ativa nos horários de ponta e fora
de ponta no decorrer dos meses durante o período de um ano.
Da mesma maneira a figura 6 ilustra o comportamento da
demanda de potência ativa durante os meses.
Analisando os resultados da simulação da edificação no
Energyplus onde estão instalados os equipamentos da Rádio e
TV Senado, observa-se que temperatura ambiente da edificação
sofre variações ao decorrer do dia e de acordo com as estações
do ano conforme ilustrados através das figuras 1, 2 e 3.
Figura 2 – Temperatura Interna e Externa da Edificação da Ràdio e TV
Senado no mês janeiro/2011
Figura 5 – Consumo Anual de Energia Elétrica Ativa da Edificação
da Ràdio e TV Senado
5
Figura 6 – Demanda Anual de Potência Ativa da Edificação da
Ràdio e TV Senado.
As figuras 7 e 8 mostram respectivamente os perfis de
consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência anual
nos horários de ponta e fora de ponta para edificação de rádio e
TV Senado obtidos através da simulação no Software
Energyplus.
Figura 7 – Relação entre o consumo de energia elétrica ativa anual
na ponta e fora de ponta da Edificação da Ràdio e TV Senado
para o cálculo do enquadramento tarifário de uma Unidade
Consumidora na tarifa horo-sazonal verde, sendo esta equação
a mesma utilizada para cálculo do faturamento no método
Convencional. Assim sendo, o valor total da fatura anual de
energia elétrica da U.C, considerando os impostos será de VF=
98.755,86R$ / Ano.
Analisando os resultados obtidos da fatura de energia
elétrica da edificação rádio e TV Senado através do método
convencional e da simulação da edificação no Software
Energyplus, pode-se concluir que utilizando o método
convencional foram considerados que a maioria dos
equipamentos instalados na edificação funcionam 24 horas por
dia, em virtude da dissipação de calor proporcionada pelos
transmissores de 5kW da Rádio e de 10kW da TV, que estão em
atividade 24 horas por dia, durante 30 dias mensais. Portanto
no método convencional, esta estimativa foi baseada na carga
instalada da edificação, que é a soma das potências nominais
dos equipamentos elétricos instalados na unidade consumidora,
em condições de entrar em funcionamento, pela análise do
histórico dos consumos de energia elétrica e demanda de
potência ativa, expressa em quilowatts (kW); conforme Artigo
115 da Resolução nº 414 da ANEEL, de 09 de setembro de
2010.
Já no segundo método foi realizada a modelagem da
edificação e seus equipamentos no Software Energyplus, que
simula o consumo de energia elétrica e demanda de potência
ativa da edificação em relação às estações do ano, considerando
as características climáticas da região, portanto a refrigeração
do ambiente é realizada em função da temperatura interna do
mesmo. Considerando que no programa Energyplus os
resultados obtidos são mais próximos de um resultado real que
pode ser obtido através da instalação de medidores de energia
elétrica, recomenda-se que a estimativa de consumo de energia
elétrica e de demanda de potência ativa a ser faturada da
edificação utilizada pela Rádio e TV Senado dentro do Campus
da UFMT, seja considerado os valores obtidos através da
simulação no Software Energyplus.
IV.
Figura 8 – Relação entre demanda média na ponta e fora de ponta
da Edificação da Ràdio e TV Senado.
12. Cálculo da Fatura de Energia Elétrica da Edificação da
Rádio e TV Senado utilizando os dados da média do
consumo de Energia Elétrica Ativa anual e da Demanda de
Potência Ativa obtidos através da simulação no programa
Energyplus.
Utilizando a média do consumo de energia elétrica ativa
mensal e a demanda média de potência ativa obtidas através da
simulação da edificação no Software Energyplus ilustrados nas
figuras 7 e 8, respectivamente, e utilizando a equação (10) usada
CONCLUSÃO
O presente artigo apresenta a estimativa da fatura de energia
elétrica referente a uma edificação onde se encontra instalados
uma rádio e uma TV do Senado dentro do Campus da UFMT,
usando o método convencional e através do Software
Energyplus que representa a mesma levando em consideração as
características físicas e climáticas da região onde
está
localizada. Durante a elaboração da estimativa da fatura de
energia elétrica, utilizando o método convencional, foram
considerados que a maioria dos equipamentos instalados na
edificação funcionam constantemente durante todo o ano. No
segundo método foi realizada a modelagem da edificação e seus
equipamentos no programa Energyplus, que simula o consumo
de energia elétrica e demanda de potência ativa da edificação
em relação às estações do ano, considerando as características
climáticas da região, portanto a refrigeração do ambiente é
realizada em função da temperatura interna do mesmo. Durante
a realização do estudo verificou-se a grande vantagem da
6
utilização do programa em relação ao método Convencional,
uma vez que, o Energyplus leva em consideração as
propriedades térmicas, geométricas e elétricas dos materiais
utilizados na edificação, apresentando resultados mais próximos
do real obtidos através da instalação de medidores de energia
elétrica. Portanto, considerando que o Energyplus é de acesso
gratuito, representa uma ferramenta eficaz tanto cálculo de
carga térmica, quanto para estimativa de fatura de energia
elétrica.
V.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Teresa Irene Ribeiro de Carvalho
Malbeiro nasceu em Portugal.
Obteve o título de Bacharel em
engenharia elétrica em 1981 na
Universidade de Mato Grosso
Federal, e o título de PhD na
University Newcastle, em Tyne Reino Unido em 1994. Atualmente é
professora e pesquisadora do
Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Mato
Grosso-IFMT - Brasil. Sua principal
área de interesse é a qualidade da
energia.
REFERÊNCIAS
BRASIL. Lei Nº 8.631, de 04 de março de 1993.
BRASIL. Lei Nº 9.074, de 07 de julho de 1995.
ANEEL. Resolução N° 414 de 09 de setembro de 2010.
ANEEL. Resolução Nº 281, de 1º de outubro de 1999.
ANEEL. Resolução Normativa Nº 219, de 11 de abril de 2006.
ANEEL. Resolução N° 77, de 18 de agosto de 2004.
Arnulfo Barroso de Vasconcellos
nasceu em Corumbá-MT, Brasil.
Obteve o título de Bacharel em
engenharia elétrica em 1980 na
UFMT, e os títulos de Mestre e
Doutor, respectivamente em 1987 e
2004, na UFU. Atualmente é
professor
e
pesquisador
na
Universidade Federal de Mato
Grasso - UFMT .
Luciana Oliveira da Silva nasceu
em Cuiabá-MT, Brasil. Obteve o
título de Engenheira Eletricista
em 2012 pela Universidade Federal
de Mato Grosso-UFMT. Atualmente
é mestranda do Programa de PósGraduação em Engenharia de
Edificações e Ambiental, pela
Universidade Federal de Mato
Grosso. Seus especiais campos de
interesse estão ligados à eficiência
energética, automação e simulação
computacional.
Fernando Novelo nasceu em
Cuiabá MT, Brasil. É acadêmico do
curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Mato
Grosso-UFMT.
Atualmente
é
bolsista CNPq
em
iniciação
tecnológica na área de Qualidade de
Energia Elétrica – Engenharia
Elétrica.
Antonio Rafael Melo Buosi,
nascido em Rondonópolis-MT,
Brasil. Ele atualmente cursa a
faculdade de Engenharia Elétrica –
Universidade Federal de Mato
Grosso – Brasil.
Erika Tiemi Anabuki nasceu em
Goiânia-GO, Brasil. É acadêmica
do curso de Engenharia Elétrica
da Universidade Federal de Mato
Grosso-UFMT. Atualmente é
bolsista do programa de pesquisa
acadêmica.