- Sendi 2016

XXII Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétri
SENDI 2016 - 07 a 10 de novembro
Curitiba - PR - Brasil
Saulo Cunha Araújo de Souza
Marcony Esmeradlo Melo
Companhia Energética do Ceará Companhia Energética do Ceará
[email protected]
[email protected]
SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO PARA ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EM REFRIGERADORES
Palavras-chave
Controle Eletrônico
Economia de Energia
Eficiência Energética
Refrigeração
Resumo
O presente trabalho apresenta os resultados do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento PD-0039-0047/2012 o
qual visou o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico a ser incorporado a refrigeradores antigos capaz de
proporcionar aumento na eficiência energética destes equipamentos a níveis semelhantes de refrigeradores
novos podendo ser utilizado como solução alternativa à substituição de refrigeradores contemplados pelos
Programas de Eficiência Energética das concessionárias de distribuição de energia elétrica do país. Como
solução, foi proposto o desenvolvimento de módulos eletrônicos para serem instalados em série com o
termostato de refrigeradores antigos sem controle automático de temperatura, ajustando automaticamente a
faixa de temperatura de acionamento do compressor em função dos hábitos de consumo do usuário sem
comprometer a qualidade dos alimentos no interior do refrigerador, aumentando a eficiência energética do
equipamento e proporcionando redução de custos com consumo de energia elétrica. De acordo com os
resultados obtidos, observou-se que a instalação do módulo eletrônico é capaz de proporcionar redução de até
22,5% no consumo de energia elétrica dos refrigeradores residenciais, sendo uma alternativa às ações de uso
racional da energia elétrica no país.
1. Introdução
Com a instituição do Programa de Eficiência Energética – PEE no setor elétrico do país, busca-se maximizar os
benefícios públicos da energia economizada e da demanda evitada, promovendo a transformação do mercado de
eficiência energética, estimulando o desenvolvimento de novas tecnologias e a criação de hábitos e práticas racionais de
uso da energia elétrica. O Programa Troca Eficiente da COELCE, por exemplo, é um projeto social focado no uso
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eficiente da energia elétrica, que troca geladeiras da população inserida no programa Baixa Renda. Apesar da
importância social de projetos sociais deste tipo, em algumas áreas de concessão o número de consumidores que se
enquadram na subclasse Baixa Renda é insuficiente ou os programas já realizados limitam a continuidade de ações
focadas, fazendo com que as relações de custo e benefício destes programas sejam cada vez mais elevadas. A partir
das ações adotadas pelas companhias, por vezes, observa-se que alguns refrigeradores, mesmo que antigos, ainda são
passíveis de uso, sendo sua substituição motivada pela reduzida eficiência energética no seu funcionamento, reduzindo
a viabilidade econômica do investimento na substituição do refrigerador. Quando a substituição de refrigeradores antigos
por modelos mais modernos é motivada pela ineficiência dos compressores e altos custos devido ao consumo excessivo
de energia elétrica destes equipamentos, torna-se necessário encontrar soluções alternativas que contribuam com o uso
racional de energia elétrica e, ao mesmo tempo, viabilizem a solução técnica e economicamente. Neste sentido, o
desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para melhoria da eficiência energética de refrigeradores antigos torna-se
de grande relevância, representando uma alternativa complementar e menos onerosa que a substituição do refrigerador.
2. Desenvolvimento
O projeto foi dividido em etapas contemplando atividades que permitiram o desenvolvimento do módulo econômico.
Inicialmente, foram realizados estudos sobre eficiência energética em equipamentos de refrigeração e foram
identificadas as necessidades do projeto. A partir dos estudos, foi realizado o levantamento em campo a fim de
identificar os hábitos de utilização dos refrigeradores pelos consumidores e definir as variáveis de controle, capazes de
contribuir com a redução do consumo de energia elétrica nestes equipamentos. Em seguida, foi projetado o circuito
eletrônico do módulo econômico e desenvolvido um protótipo para prova de conceito. Logo depois, foram executados
ensaios de ciclagem e consumo de energia em laboratório. Com os resultados obtidos, foram realizadas correções no
projeto a fim de melhorar desempenho e segurança. Por fim, foram produzidos e instalados em campo o lote
experimental de módulos econômicos, analisando os resultados obtidos e comprovando a viabilidade técnica.
2.1. Pesquisa em Campo para Definição do Conceito do Projeto
Para definição do conceito do projeto, foi necessário realizar levantamento em campo a fim de identificar os hábitos de
uso dos refrigeradores pelos consumidores, identificando as características dos equipamentos instalados quanto a
marca, modelo, consumo nominal, entre outras características, visando a análise dos impactos no consumo mensal e no
potencial de economia de energia através da instalação dos protótipos a serem construídos. Para identificação dos
usuários bem como as características dos refrigeradores foram realizados registros fotográficos dos aparelhos antes de
instalar analisadores de energia (data logger) e colocá-lo em funcionamento e registrar as seguintes variáveis:
temperatura, potência, corrente, tensão, consumo de energia, posição do termostato, fator de funcionamento e
freqüência de abertura da porta do refrigerador. Com a instalação dos data logger, foi possível coletar dados em campo
para estudos posteriores. A seguir, serão mostradas as informações características de 1 (um) dos 5 (cinco)
refrigeradores escolhidos para realização do levantamento em campo do perfil de utilização dos usuários e determinação
de parâmetros de análise.
A Figura 01 mostra um dos refrigeradores utilizados para levantamento em campo enquanto que a Figura 02 apresenta
os parâmetros de análise do refrigerador de um dos usuários durante 5 (cinco) dias consecutivos de quinta-feira a
segunda-feira, coletando dados referentes a potência demandada pelo compressor, a temperatura interna do
refrigerador, quantidade de abertura da porta e o tempo em que esta foi mantida aberta em cada evento. Os dados em
vermelho representam a potência do aparelho, indicando se este está ligado ou desligado, seu pico e o tempo em que o
produto permaneceu ligado e desligado, o que nos possibilitará calcular o fator de funcionamento do aparelho, ou seja,
quanto tempo o produto fica funcionando durante determinado período. Os dados em azul representam a temperatura
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interna do refrigerador que varia em função do funcionamento do compressor e das aberturas da(s) porta(s) do aparelho.
Os dados em verde, registram a abertura da porta do aparelho e o tempo que ela permaneceu aberta em cada evento,
pois considera-se este evento um fator que afeta diretamente o consumo de energia, ou seja, quanto mais se abre a
porta do refrigerador e mais tempo permanece com ela aberta, maior será o consumo de energia deste refrigerador. O
dados coletados também registram a relação existente entre estas variáveis que afetam diretamente o consumo de
energia do aparelho. Foi considerado que o dia em que a coleta de dados foi realizada importante para a análise, pois
este é um fator que altera o hábito de consumo dos usuários e afeta diretamente o consumo de energia do aparelho.
Com a coleta destes dados também foi possível determinar o consumo de energia elétrica e o fator de funcionamento do
refrigerador além de analisar o período e o tempo disponível para que o módulo econômico atue para alterar o perfil de
funcionamento do aparelho visando proporcionar a redução no consumo de energia elétrica nos momentos de não
utilização do aparelho. Considerando o período de análise dos parâmetros do refrigerador deste usuário, o equipamento
apresentou uma potência de marcha de 75W, com pico de 83W e consumo de energia de 33 kWh/mês. O fator de
funcionamento médio do aparelho foi de 62%, com cerca de 52 aberturas de porta e variação da temperatura interna
entre 7°C e 14°C sendo, esta primeira, a temperatura a qual o equipamento buscou estabilizar.
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Observa-se que neste período ocorreram diversos ciclos de partida do compressor em marcha, porém em curtos
intervalos de tempo, o suficiente para manter a temperatura interna estabilizada em 7°C, que foi a temperatura mais
baixa observada em todo o período de coleta de dados, sendo 14°C a mais elevada. Com a elevada quantidade de
partidas do compressor ocorrem também mais correntes de pico, contribuindo para o aumento no consumo de energia
elétrica, agora não por hábito de consumo, mas por fatores construtivos do aparelho que não se auto ajusta quando os
usuários não o estão utilizando. Observa-se que, os períodos em que o refrigerador atinge as mais elevadas
temperaturas internas são associados às sucessivas aberturas de porta. Além disso, é possível observar a relação direta
entre o tempo de permanência da porta aberta e a temperatura interna do refrigerador. Neste caso, constatou-se que
uma variação de 18 segundos no tempo de permanência da porta aberta, ocasionou uma variação de 4°C na
temperatura interna do refrigerador. Este elevado tempo de permanência da abertura da porta não afeta somente a
temperatura interna do refrigerador mas também o tempo de funcionamento do compressor, aumentando a energia
consumida pelo equipamento.
Em relação a variação de temperatura internas, constatou-se que o produto em funcionamento normal de fábrica, com o
termostato a 75% de seu ponto máximo, funciona com uma variação de até 4°C em sua temperatura interna sem afetar
a integridade dos alimentos em seu interior.
O mesmo procedimento de levantamento de dados em campo foi realizado para mais 4 (quatro) usuários, realizando a
coleta de dados referentes a potência demandada pelo compressor, a temperatura interna do refrigerador, quantidade
de abertura da porta e o tempo em que esta foi mantida aberta em cada evento. Para todos os casos, observou-se a
oportunidade de redução do ciclo do compressor para estabilizar a temperatura interna do refrigerador em temperaturas
mais elevadas sem prejudicar a qualidade dos alimentos em seu interior.
Com a finalização da etapa de pesquisa em campo para definição do conceito do projeto, foi possível analisar dados
sobre os hábitos dos consumidores os quais afetam diretamente o consumo de energia elétrica proveniente da
aberturada das portas dos refrigerador assim como identificar possíveis parâmetros de controle para caracterização do
módulo eletrônico a ser desenvolvido. Neste ponto, sabe-se que o módulo econômico deve possuir as funções de (i)
memorizar o perfil de consumo de energia elétrica do refrigerador, (ii) memorizar o perfil de abertura da porta do
refrigerador, (iii) alterar o fator de funcionamento do compressor em função do perfil de consumo e abertura da porta do
refrigerador, (iv) fazer auto-ajuste após desligamento do refrigerador da rede elétrica ou falta de energia elétrica e (v)
promover o consumo eficiente de energia elétrica em refrigeradores de uso domésticos e comerciais. Tendo em vista
estas funções, foi possível prosseguir com o projeto e desenvolvimento do módulo econômico a partir de simulações,
estudos e dados coletados em etapas anteriores.
2.2. Projeto e Desenvolvimento do Módulo Eletrônico
A Figura 3 mostra o esquemático do circuito eletrônico projetado para atender às necessidades do projeto. O circuito
pode ser alimentado por tensões de 110V~220V) que são conectadas nos conectores F e N. O capacitor C4 funciona
como uma fonte de rabo quente, utilizando a reatância capacitiva para alimentar o circuito. Os resistores R2 e R3
servem para descarregar o capacitor no momento em que a Placa de Circuito Impresso - PCI for desligada evitando o
armazenamento de energia e possíveis choques no manuseio.
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A resistência de fio R1 funciona como uma proteção para picos de corrente, evitando que a PCI sofra danos. A ponte de
diodos P1 junto com o capacitor C3 e C1 agem juntos para retificar a onda senoidal da alimentação e o diodo zener Z1
atua na tensão limitando-a em 18V para o acionamento do relé. O regulador U1 atua na tensão regulando-a de 18V para
5V para alimentar o micro controlador, o sensor de temperatura e o sensor de luminosidade. A resistência R4 funciona
limitando a corrente que irá passar pelo led L1. Os capacitores C5 funcionam como filtro evitando ruídos na alimentação
do micro controlador. O capacitor C7 também funciona como filtro para evitar ruídos na leitura do termômetro TP como
também o capacitor C6 evita ruídos na leitura da luminosidade do diodo receptor LX. A resistência R5 junto com o
transistor Q1 atua ligando e desligando o relé RL que irá atuar no compressor. O diodo D1 fica em paralelo com a bobina
do relé evitando correntes reversas ao desligar o relé, protegendo o transistor de elevadas correntes. A resistência R6
funciona como um pull down, enviando um sinal de terra quando o receptor LX estiver no escuro. A barra de pinos ICSP
serve para poder gravar o firmware no micro controlador PIC in circuit. A resistência R7 está funcionando apenas como
um jump para o roteamento da PCI. A resistência R9 faz parte do circuito de reset do micro controlador PIC de acordo
com as especificações sugeridas pelo fabricante. O microcontrolador PIC funciona fazendo todo o controle inteligente da
PCI, e nele que fica armazenado o firmware contendo todas as especificações do funcionamento do circuito.
Para a simulação computacional foi utilizado o software Proteus. Todo o funcionamento do circuito foi previamente
simulado a fim de verificar o funcionamento do circuito em condições normais de operação. Entre as funcionalidades
simuladas estão (i) leitura da temperatura através do sensor MCP9701, (ii) acionamento do relé e (iii) leitura do sensor
de abertura de porta. Os ensaios em ambienta simulado foram satisfatórios, validando os requisitos para montagem do
produto final. A Figura 4 mostra o circuito simulado no ambiente PROTEUS.
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O Módulo Econômico foi projeto para ser compacto tendo em vista que ficará alojada no interior da caixa de ligação ou
como é também conhecida como caixa do termostato ou da lâmpada de um refrigerador, dispensando a utilização de
encapsulamento em caixas de PVC ou invólucro protetor, uma vez que a caixa do termostato já tem esta função.
O circuito eletrônico modelado foi construído numa PCI de fenolite de face simples e componentes eletrônicos PTH. Na
sua estrutura construtiva o Módulo Econômico é dotado de um microprocessador e um firmware desenvolvido para
embarcar sua inteligência artificial e ativação das suas funções a que propõe. Visando dotar a PCI de uma proteção
contra corrosão das trilhas, tendo em vista que funcionará em uma câmara fria, ou seja, no interior de um refrigerador
que é um potencial acelerador de oxidação, a PCI passa por um banho de resina protetora. As dimensões da PCI, já
com os componentes e pronta para ser montada no refrigerador foram de 80x30x15 milímetros. A fixação do Módulo
Econômico no refrigerador deve ser através de conectores específicos e de fácil montagem, onde após a fixação, o
terminal aplica sobre os condutores um gel protetor contra corrosão e entrada de umidade na conexão realizada. Após
as simulações realizadas no projeto do dispositivo, foi construída uma prova de conceito para ensaios de desempenho
em laboratório a fim de comprovar a operação em ambiente controlado, onde verificou-se o potencial do dispositivo. Em
seguida, iniciou-se a fase de fabricação de lote experimental e
2.3. Fabricação de Lote Experimental e Análise dos Testes em Campo
Com o projeto e desenvolvimento do circuito eletrônico realizado em etapas anteriores, foi possível definir fornecedores
para fabricação do lote experimental de módulos econômicos. Inicialmente, foram fabricados 10 (dez) protótipos do
módulo econômico para serem testados em campo em caráter experimental. Posteriormente, foram fabricados mais 30
(trinta) protótipos para difusão do módulo econômico, totalizando a fabricação de 40 (quarenta) unidades de módulo
econômico, conforme mostrado na Figura 05.
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Para atender ao escopo inicial do projeto, foi determinado que os módulos econômicos seriam instalados nas unidades
consumidores de clientes baixa renda que contivessem refrigeradores antigos com 5 a 7 anos de utilização. Estes
critérios foram adotados considerando a condição social dos consumidores baixa renda e sua inserção social no sentido
de contribuir com o desenvolvimento de novos produtos. Ainda, foi considerado o valor pago pelo cliente baixa renda na
sua fatura mensal correspondente à parcela de consumo refrigerador com perda de eficiência. Neste sentido, a equipe
do projeto contou com o apoio da área de Liderança Comunitária da companhia, a qual teve papel fundamental no
processo de comunicação com a comunidade e desenvolvimento das atividades em campo.
Parte do lote piloto fabricado foi instalado na comunidade Associação São Bernardo, localizado na cidade de
Fortaleza/CE. Para início do teste em campo, foram escolhidos 9 (nove) consumidores enquadrados dentro dos
requisitos especificados. Com estes clientes, foram realizadas reuniões de orientação a fim explicar o objetivo do projeto
e solicitar a anuência destes clientes para instalação do módulo econômicos em seus refrigeradores.
Para verificação do consumo dos equipamentos, foram instalados medidores SASSI monofásicos em série com os
refrigeradores e foram observados os consumos destes equipamentos durante 15 (quinze) dias com e sem o módulo
econômico. Ainda, nos refrigeradores destes clientes, foram instalados os módulos econômicos e foram observadas (i) a
posição do termostato, (ii) o tempo de utilização do refrigerador, em anos, (iii) o consumo horário inicial e (iv) o consumo
horário final. Após a instalação do módulo econômico nas unidades consumidoras e observação durante determinado
período de tempo, foi possível determinar o total de energia economizada a partir da utilização do módulo econômico
nos refrigeradores.
A Tabela 01 resume os percentuais de economia de energia obtidos por consumidor considerando o período de 4
(quatro) horas em que os módulos estiveram instalados em campo. Observa-se que, durante o período em que o módulo
econômico esteve instalado nos refrigeradores, houve uma redução entre 3,88% e 22,47% no consumo de energia
elétrica dos equipamentos, sendo este percentual de redução relacionado com a freqüência de abertura da porta. Ainda,
o Consumidor 5 obteve o maior percentual de energia economizada, reduzindo o consumo do seu refrigerador em cerca
de 22,5%. Por outro lado, o Consumidor 7 obteve o menor percentual de energia economizada, reduzindo o consumo do
seu refrigerador em menos de 4%. Esta variação é justificada pela diferença no perfil de cada consumidor, haja vista que
há diferenças na freqüência de abertura da porta do refrigerador e no ajuste do termostato, os quais influenciam no
acionamento do compressor e, conseqüentemente, no consumo de energia.
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Tabela 1: Consumo de Energia dos Refrigeradores por Consumidor
Consumo
Cliente
Consumo
Energia
Energia
(sem módulo) (com módulo) Economizada Economizada
(Wh)
(Wh)
(Wh)
(%)
1
76,5
73,3
3,2
4,18
2
151,5
124,2
27,3
18,02
3
168,8
136,9
31,9
18,89
4
95,4
80,7
14,7
15,41
5
89,9
69,7
20,2
22,47
6
64,1
61,3
2,8
4,37
7
43,8
42,1
1,7
3,88
8
136,3
127,7
8,6
6,31
9
57,5
54,9
2,6
4,52
A Figura 6 mostra a comparação dos resultados obtidos considerando o percentual de energia economizada por
consumidor. De acordo com resultados prévios, observa-se que, a instalação do módulo econômico no refrigerador do
Consumidor 5 proporcionou maior economia de energia elétrica, reduzindo em mais de 22% o consumo de energia
elétrica do equipamento. Ao observar seus hábitos de utilização do refrigerador, nota-se que este consumidor mantém o
termostato do refrigerador na posição intermediária P4. A expressiva redução no consumo de energia deste refrigerador
com termostato regulado na posição P4 é explicada através dos hábitos do consumidor, uma vez que verificou-se a
reduzida freqüência de abertura da porta do refrigerador, não necessitando da periodicidade de acionamento do
compressor do equipamento quando a temperatura interna supera a temperatura equivalente à posição P4. Dessa
forma, a atuação do módulo econômico voltou-se para ação equivalente ao aumento da temperatura interna do
refrigerador, semelhante ao ajuste do termostato, de forma a não comprometer a integridade dos alimentos, sem a
necessidade de intervenção do usuário. Esta ação reduziu a quantidade de partidas e acionamentos do compressor,
contribuindo para a economia de energia e eficiência energética. Observa-se, ainda, que 4 dos 9 consumidores foram
beneficiados com percentual de redução de energia economizada superior a 15%, enquanto os demais beneficiaram-se
com redução inferior a 7%. Nestes últimos casos, observa-se que o termostato mantinha-se em posições mínimas
(maiores temperaturas), limitando a atuação do módulo econômico.
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3. Conclusões
Após a execução do projeto apresentado, obteve-se um dispositivo eletrônico para ser instalado em série com o
termostato de refrigeradores sem controle eletrônico e com até 7 anos de uso, com o objetivo de melhorar a eficiência
energética destes equipamentos. Construído nas dimensões 80x30x15mm e coberto por resina e isolante termoretrátil
para proteção contra oxidação, o módulo econômico pode ser acoplado à caixa de ligação do termostato sem
comprometer a estrutura física ou o ciclo termodinâmico dos refrigeradores, possuindo vida útil estimada em 10 anos.
Dotado de um microcontrolador, o produto final possui tecnologia embarcada e firmware capaz de memorizar os hábitos
de utilização do refrigerador pelos consumidores, realizando o controle inteligente e desligamento do compressor em
períodos desnecessários sem prejudicar a qualidade dos alimentos no interior do refrigerador, reduzindo o consumo de
energia elétrica destes equipamentos em até 22,5%. Uma vez que a freqüência de abertura da porta do refrigerador e a
posição do termostato influenciam no acionamento do compressor, o percentual de redução no consumo de energia
elétrica é determinado de acordo com o perfil do consumidor, sendo este percentual variável em função dos hábitos de
utilização do refrigerador.
Em termos de impactos socioambientais, quando a substituição de refrigeradores antigos por modelos mais modernos é
motivada pela ineficiência dos compressores e altos custos devido ao consumo excessivo de energia elétrica destes
equipamentos, o produto desenvolvido pelo projeto ganha espaço. Com a instalação do módulo econômico nos
refrigeradores antigos é possível obter eficiência energética semelhante a de refrigeradores mais modernos sem afetar
seu ciclo termodinâmico ou comprometer a qualidade dos alimentos no interior do equipamento. Dessa forma, é possível
postergar investimentos na substituição destes refrigeradores por outros modelos mais eficientes, contribuindo com a
manutenção da renda familiar das famílias representantes das classes sociais menos favorecidas.
4. Referências bibliográficas
Programa de Eficiência Energética – Informações Técnicas. Acesso em: 15/04/2016, disponível em:
http://www.aneel.gov.br/informacoes-tecnicas/-/asset_publisher/CegkWaVJWF5E/content/lorem3/656831?inheritRedirect=false
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Programas e Projetos – Troca Eficiente COELCE. Acesso em: 15/04/2016, disponível em:
https://www.coelce.com.br/coelcesociedade/programas-e-projetos/trocaeficiente.aspx
CARDOSO, R. B. Estudo dos impactos energéticos dos Programas Brasileiros de Etiquetagem Energética: Estudo de
caso em refrigeradores de uma porta, condicionadores de ar e motores elétricos. Universidade Federal De Itajubá
Programa De Pós-Graduação Em Engenharia Elétrica, Itajubá/MG, 2012.
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