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6
1. INTRODUÇÃO
A busca por energia de fontes alternativas, com baixo custo financeiro e de menor
impacto ambiental é uma necessidade do cenário mundial, tendo em vista o aumento da
demanda energética, a redução da oferta de combustíveis convencionais e a necessidade de
diminuir os impactos ao meio ambiente.(1) O Brasil apresenta uma variedade de recursos
alternativos para a geração de eletricidade, sendo a energia hidráulica sua principal fonte
atualmente.(1) No entanto, apesar de ser uma fonte limpa e renovável, acarreta impactos
ambientais severos, como inundações de grandes áreas que devastam a fauna e flora de uma
região, alagamento de terras e o deslocamento de populações ribeirinhas.(2)
Somado a isso, sabe-se que as principais bacias hidrográficas brasileiras com capacidade
de abastecimento se apresentam com níveis baixos nos principais centros consumidores do país,
como aquelas que atendem a demanda do Sistema Produtor Cantareira, responsável pelo
abastecimento de aproximadamente 9 milhões de habitantes da Região Metropolitana de São
Paulo, implicando na escassez da oferta de água potável à população.(1,3)
Dessa forma, percebe-se que o Brasil está enfrentando uma crise hídrica que afeta a
qualidade de vida da população em geral. Diante disso, verifica-se a necessidade de sensibilizar
o profissional da área de engenharia civil para interagir com a sociedade e mostrar a importância
de sistemas alternativos que contribuam para a economia do consumo de energia elétrica.
Aproveitando-se do fato de que o Brasil localiza-se em uma região intertropical, isto é,
com alto potencial para o aproveitamento da radiação solar durante todo o ano, tem-se a energia
solar como uma fonte abundante e sustentável.(4) Para visualização de parâmetros da radiação
solar no país, observa-se que a média máxima ocorre no Estado da Bahia, com 6,5 kilowatts-
hora por metro quadrado (kWh/m²), e a menor radiação solar é percebida no litoral norte de
Santa Catarina, com 4,25 kWh/m², o que caracteriza boa uniformidade solar em todas as
regiões.(5)
A partir disso, disserta-se brevemente sobre a conceituação de energia solar, suas
desvantagens e seus benefícios para a economia e meio ambiente. A Agência Nacional de
Energia Elétrica - ANEEL define a energia solar como a energia proveniente da radiação solar,
sendo necessária sua conversão em energia útil (térmica ou elétrica).(6) Seu principal viés
relaciona-se com a variância da oferta de luz solar, que se modifica de acordo com a latitude da
região, e apresenta menor eficiência nos períodos de inverno, chuvosos e durante a noite, o que
demanda recursos para armazenamento de energia.(1,6)
7
Seus benefícios a longo prazo relacionam-se com a diminuição de custos de eletrificação
de regiões carentes, aumento da oferta de energia em períodos de estiagem, menor impacto
ambiental, devido ao uso atenuado de combustíveis fósseis, e consequente redução da emissão
de gases poluentes.(1,6) A médio e curto prazo, verifica-se a utilidade das energias solares
fotovoltaica e térmica para o aquecimento de água, esta última que tem sido amplamente
empregada na indústria e que foi objeto de estudo deste trabalho.(1,6)
Assim, para o uso doméstico, a energia solar pode ser aproveitada através de sua
conversão em energia térmica por um aquecedor termo solar.(1) Neste estudo, optou-se pela
utilização alternativa do policarbonato para exercer a função de coletor solar. Este material é
um termoplástico de engenharia composto por uma resina, que é produto da reação entre
derivados do ácido carbônico e o bisfenol A.(8) É um material que possui alta transparência, o
que permite sua eficiência na utilização da luz solar, além de alta resistência mecânica, baixo
peso, ótimo potencial de isolamento termoacústico e resistência ao fogo.(8) O policarbonato
apresenta, como característica fundamental para sua aplicação no estudo, uma superfície
resistente à radiação ultravioleta, que evita o desgaste do material pela ação de agentes
atmosféricos e a perda de transmissão luminosa.(8)
Analisando-se os reais benefícios da aplicação da energia termo solar para o
aquecimento de água direcionado ao chuveiro doméstico, projeta-se a economia estimada de
gastos de energia elétrica para residências populares. Como exemplo, escolheu-se o programa
do Governo Federal “Minha Casa Minha Vida”, que pretende entregar 6,7 milhões de moradias
até 2018.(9) Supondo-se que cada moradia possuísse um coletor solar de baixo custo de 2,2 m²
de área,, em um ano cerca de 123,2 m² de terra seriam preservados da inundação para gerar
energia elétrica; eliminaria o consumo de 473 kg de lenha; pouparia 160,6 litros de gasolina;
diminuiria o consumo de 490,6 m³ de gás natural e 499,4 litros de diesel para termelétricas por
moradia.(10) O consumo médio do chuveiro doméstico é de 110 Kwh/mês.(11) Se nessas novas
6,7 milhões de moradias fossem instaladas um sistema de aquecedor termo solar para chuveiro,
teríamos uma economia mensal de 737 milhões de Kwh, retirando grande parte da carga de
demanda de energia gerada por usinas hidrelétricas para o consumo residencial.
Diante do exposto, explana-se que o presente trabalho surgiu da necessidade de reduzir
o consumo de energia elétrica e tornar conhecido um sistema alternativo de aquecedor termo
solar para chuveiro doméstico. Partindo do pressuposto de que a energia termo solar é uma
alternativa de baixo custo e de menor impacto ambiental, surgem as seguintes problemáticas:
Por que há a necessidade de se instalar o aquecedor termo solar de água em chuveiros
residenciais? Quais são as contribuições do sistema termo solar para crise hídrica? Qual
8
metodologia de dimensionamento deve ser adotada para a construção do sistema de
aquecimento termo solar? Como se dá o processo de construção do aquecedor termo solar para
o chuveiro doméstico?
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Com este trabalho, objetiva-se apresentar uma alternativa viável e sustentável para o
chuveiro doméstico a partir da construção de um sistema de aquecedor termo solar mostrando-
o como uma solução para o atual consumo de energia.
1.1.2 Objetivos Específicos
Dimensionamento de um sistema de aquecedor termo solar de policarbonato para
chuveiro doméstico;
Construção de um protótipo do sistema de aquecedor termo solar de policarbonato para
verificação de sua eficiência e entendimento do sistema como um todo;
Apresentar o custo-benefício mostrando a viabilidade do sistema proposto.
2. MATERIAL E MÉTODOS
Como proposta de solução para o consumo do chuveiro elétrico foi elaborado o
protótipo de um sistema de aquecedor térmico de baixo custo para chuveiro doméstico. Para a
construção do coletor solar utilizou-se uma placa de policarbonato e, para o reservatório
térmico, optou-se pelo uso de materiais alternativos, visando diminuir o custo do sistema.
Previamente à construção do protótipo, elaborou-se uma revisão bibliográfica baseada
em artigos científicos indexados no período de 2009 a 2015, manuais do Ministério do Meio
Ambiente (MMA), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e da Associação
Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação (ABRAVA); bem como na norma da
Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - NBR 15569/08, visando embasar
teoricamente o estudo em questão.
O protótipo foi elaborado com o intuito de compreender o sistema de aquecimento termo
solar, a fim de verificar a sua eficiência e obter dados que comprovem que a solução proposta
atende a necessidade de conforto do usuário. Suas fases de execução foram desenvolvidas no
Campo Escola de Tecnologia Social (CELOGS), situado na Universidade Católica de Brasília,
situada à QS 07, Lote 01, EPCT, Águas Claras - Brasília - DF.
9
Neste trabalho, foi necessária a realização de um dimensionamento real do sistema para
alcançar a definição de critérios de volume do reservatório, demanda energética, área do coletor,
inclinação precisa para a coleta de radiação solar e posicionamento geográfico. Esta etapa é
determinante para garantir a qualidade de funcionamento do sistema.
Os materiais necessários utilizados para a elaboração e execução do estudo foram
custeados pelos pesquisadores e orientadores do trabalho, e são descritos a seguir: 01 Notebook;
01 placa de policarbonato (1,50mx1,50m); 01 tubo PVC (32mm); 01 tubo PVC (20mm);
01 pincel atômico; 01 trena; 01 lixa d’água 220; 01 serra corte CS2000; 01 lima circular; 990g
de resina para laminação; 400g de massa plástica; 03 joelhos 90 (25mm); 01 registro
(25mm) PVC; 01 mangueira (20mm); 06 engates para mangueira; 01 tê 90 (25mm); 04
caps soldáveis PVC (32mm); EPS (isopor) e 01 Termômetro digital a laser infravermelho.
Nos tópicos seguintes, serão delineados o método de dimensionamento, as fases da
execução, os métodos de ensaio e o estudo de viabilidade do sistema, aplicados no
desenvolvimento do estudo.
2.1 MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO
Para a elaboração do dimensionamento, foi adotada a metodologia de cálculo proposta
pela norma NBR 15569/08 - Sistema de Aquecedor Solar em Circuito Direto.(12) O
dimensionamento do Sistema de Aquecedor Solar foi realizado através etapas descritas a seguir.
2.1.1 Apurar o volume de consumo
Para o atendimento do ponto de utilização do chuveiro, levou-se em consideração a
vazão da peça e seu tempo de utilização, considerando a frequência de uso, como demonstrado
na Equação (1). (12)
usodeFrequênciaTQ
ipiconsumo . (1)
Onde:
consumo - Volume total de água quente consumido diariamente, expresso em metros
cúbicos (m³);
10
piQ - É a vazão da peça de utilização, expressa em metros cúbicos por segundo (m³/s);
iT - É o tempo médio de uso diário da peça de utilização, expresso em segundos (s);
usodeFrequência - Número total de utilizações da peça por dia.
2.1.2 Calcular o volume do sistema de armazenamento
Para calcular o volume do sistema de armazenamento utilizou-se a Equação (2). (12)
)(
)(
ambarmaz
ambconsumoconsumo
armazTT
TT
. (2)
Onde:
consumo - Volume de consumo diário, expresso em metros cúbicos (m³);
armaz - Volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos
(m³). Sugere-se que ( armaz ≥ 75% consumo
);
consumoT - Temperatura de consumo de utilização, expressa em graus Celsius (°C).
Sugere-se que seja adotado 40 °C;
armazT - Temperatura de armazenamento da água (°C). Sugere-se armaz
T ≥ consumoT
ambT - Temperatura ambiente média anual do local de instalação.
Nota: Para valores de armazT acima de 60 °C sugere-se que seja investigada a
característica de eficiência do coletor solar.
2.1.3 Calcular a demanda de energia útil
A demanda de energia foi calculada seguindo a Equação (3). (12)
3600
)(ambarmazparmaz
útil
TTCE
(3)
11
Onde:
útilE - Energia útil (Kwh/dia);
armaz - Volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos
(m³);
- Massa especifica da água. (1000 kg/m³);
pC - Calor especifico da água, expresso em quilojaules por quilogramas kelvin (4,18
Kj/KgK);
2.1.4 Calcular a área coletora
A área coletora foi encontrada por meio da Equação (4). (12)
IgPMDEE
FCEEA
instalaçãoperdasútil
coletora
901,4)(. (4)
Onde:
coletoraA - Área coletora (m²);
Ig - Valor da radiação global média anual para o local de instalação (Kwh/m² * dia);
útilE - Energia útil (Kwh/dia);
perdasE - Somatório das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário (Kwh/dia).
Calculado pela soma das partes ou pela Equação (5). (12)
útilperdasEE 15,0 (5)
PMDEE - Produção média diária de energia especifica do coletor solar (Kwh/m²).
Calculada pela Equação (6). (12)
)0249,0(901,4 ULFRFRPMDEE (6)
Onde:
FR - Coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional);
ULFR - Coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional);
12
instalaçãoFC - Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar dada pela
Equação (7):
)º90º15(]105,3)(102,1[1
1
2524
para
yFC
ótima
instalação. (7)
Onde:
- Inclinação do coletor em relação ao plano horizontal, expressa em graus (°);
ótima
- Inclinação ótima do coletor para o local de instalação em graus (sugere-se que
seja adotado o valor de módulo da latitude local + 10°);
y - Ângulo de orientação dos coletores solares em relação ao norte geográfico, em
graus.
2.2 FASES DA CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO DO AQUECEDOR TERMO
SOLAR
2.2.1 Composição do sistema de aquecedor termo solar
O protótipo do sistema de aquecedor termo solar teve a seguinte composição: coletor
solar, responsável pela captação da energia solar e aquecimento d’água; reservatório térmico
(boiler), responsável por coletar a água já aquecida e mantê-la na temperatura ideal até o
momento de consumo; reservatório de água fria, local de onde partirá a água fria em direção ao
coletor para que seja aquecida; e respiro, que deve ser instalado na saída do boiler para permitir
a saída de vapor, o que alivia a pressão do sistema, evitando seu rompimento, conforme
apresentado na Figura 1.
13
Figura 1 - Croqui do protótipo do aquecedor termo solar.
O aquecimento da água foi realizado pela radiação solar que pode ser classificada em
direta ou difusa: A radiação direta é aquela recebida pelo sol e que ainda não se dissipou pela
atmosfera, já a radiação difusa é a recebida pelo sol após ter sua direção original modificada
por reflexão da atmosfera.(13)
O sistema de transporte de água empregado foi o termossifão, que se utiliza da diferença
de densidade da água para sua locomoção dentro do sistema.(14) Ressalta-se que o depósito foi
situado em um nível superior ao do coletor solar, pois devido a água aquecida possuir uma
densidade menor do que a água fria, tal posicionamento desencadeia sua ascensão no sistema,
enquanto a água fria desce.(14)
14
2.2.2 Passo a passo da construção do protótipo
A seguir será descrito o passo a passo da construção do protótipo de aquecedor termo
solar (Figura 2), que seguiu as instruções contidas no Manual de Construção de Aquecedor
Termo Solar, elaborado pelo Projeto de Educação Ambiental (PEA) da Universidade Católica
de Brasília.(15)
Figura 2 - Protótipo do aquecedor termo solar.
2.2.2.1 Marcação e corte da placa de policarbonato
Para a construção do coletor solar do protótipo, realizou-se, inicialmente, a marcação na
placa de policarbonato de 1,5m x 1,5m, utilizando pincel atômico e trena, a fim de realizar o
corte de 0,6m x 0,75m, como ilustrado na Figura 3.
15
Figura 3 - Marcação da placa de policarbonato.
Em seguida, utilizou-se uma serra corte para delinear a dimensão da placa de
policarbonato e alcançar a as medidas de 0,6m x 0,75m (Figura 4).
Figura 4 - Corte da placa de policarbonato
2.2.2.2 Marcação e corte dos tubos PVC (32mm) com 6,0m de comprimento
Na elaboração do transporte de água (responsável pela comunicação entre o reservatório
de água fria, o coletor solar e o reservatório térmico), foi utilizado um tubo PVC (32mm),
16
com 6,0m de comprimento. Primeiramente, marcou-se o tubo com um pincel atômico e trena
para seu posterior corte, separando-o em duas partes (Figura 5).
Figura 5 - Marcação do Tubo PVC (32mm)
Na etapa de separação do tubo em duas partes, os cortes laterais e superiores dos tubos
PVC (32mm) foram executados com o auxílio de serra corte, a fim de obter maior precisão
(Figuras 6 e 7). Os cortes laterais foram feitos de acordo com a largura do coletor solar de
policarbonato (0,6m), porém o tubo foi cortado com 0,66m de largura, existindo assim uma
folga de 0,03m em cada lado do tubo para o encaixe das conexões de acabamento, entrada e
saída de água. O corte superior foi feito de acordo com a espessura do coletor solar (4mm), para
que haja uniformidade no encaixe entre o tubo e o coletor.
17
Figura 6 - Corte Lateral Tubo PVC (32mm)
Figura 7 - Corte Superior Tubo PVC (32mm)
Na execução do acabamento final do tubo PVC, utilizou-se uma lima circular. E para
obter uma melhor aderência entre a placa e a abertura superior do tubo, ambos foram lixados
com lixa d’água 220 (Figuras 8 e 9).
18
Figura 8 - Tubo PVC (32mm) lixado
Figura 9 - Placa de policarbonato lixada
2.2.2.3 Vedação entre o tubo PVC (32mm) e a placa de policarbonato (1,5m x 1,5m)
Com o intuito de garantir a integridade do sistema e evitar o vazamento de água,
realizou-se a etapa de vedação das frestas. A vedação foi feita entre o tubo e a placa, aplicando-
se uma mistura composta por resina para laminação e massa plástica (Figura 10), visando
permitir maior trabalhabilidade à mistura, e, para acelerar seu endurecimento, fez-se uso do
catalisador (Figura 11).
19
Figura 10 - Vedação entre o tubo PVC e a placa de policarbonato.
Figura 11 - Mistura usada na vedação de frestas
2.2.2.4 Gabarito com tubo PVC (20mm).
Foi necessário o uso de um gabarito para evitar o contato entre a entrada de água da
placa de policarbonato e o fundo interno do tubo PVC (32mm). Para tanto, utilizou-se de um
tubo PVC (20mm) como gabarito para permitir a passagem do fluido, como apresentado na
Figura 12.
20
Figura 12 - Gabarito tubo PVC.
A Figura 13 ilustra o coletor solar finalizado, após todas as etapas citadas
anteriormente, pronto para ser submetido ao teste de vazamento e à pintura.
Figura 13 - Coletor solar finalizado.
2.2.2.5 Teste para verificar vazamento
O teste para verificar a existência de vazamento consistiu em fechar com caps PVC
(32mm) soldáveis três, das quatro, aberturas dos tubos. Preencheu-se a placa com água na
21
quarta abertura até que ficasse completamente ocupada pelo fluido e, durante 15 minutos, foi
feita a análise da existência de vazamento (vide Figura 14). Após a realização do teste, não
houve a presença de vazamento.
Figura 14 - Coletor solar em fase de teste de vazamento.
2.2.2.6 Pintura do coletor solar
Após finalizado, o coletor foi tingido com tinta preta (Figura 15). De acordo com a
ABRAVA (2008), a placa absorvedora, que é responsável pela absorção e transferência da
energia térmica para a água, deve ser tingida de preto fosco ou receber tratamento especial para
maximizar a absorção da energia solar.(18)
22
Figura 15 - Coletor solar executado e tingido de preto.
2.2.2.7 Reservatório Térmico (Boiler)
O reservatório térmico (boiler) tem como função armazenar a água aquecida, e é
composto por corpo interno, isolante térmico e corpo externo. Como o corpo interno é a parte
que está em contato direto com a água aquecida, deve ser fabricado com materiais resistentes à
corrosão, e geralmente utiliza-se materiais como cobre e aço inoxidável nos reservatórios
fechados.(16) Já nos reservatórios abertos, utiliza-se, também, o polipropileno.(16) No
protótipo em estudo, utilizou-se um tubo PVC (200mm) com 54 cm de comprimento (Figura
15).
O isolante térmico é a estrutura que minimiza as perdas de calor para o meio.(16) É
colocado sobre a superfície externa do corpo interno, e, originalmente, os materiais mais
empregados são a lã de vidro e a espuma de poliuretano.(16) O isolante do protótipo foi
composto por espuma de poliuretano expandida, juntamente com o EPS (isopor) (Figura 16).
Visando proteger o reservatório contra intempéries, fez-se uma proteção externa com
dois sacos de ração para cachorros reutilizados, cujas partes internas são compostas por
alumínio (Figura 17). A proteção externa protege contra a umidade e danos no transporte ou
instalação(16). Em sua maioria, Essa proteção é feita com alumínio, aço galvanizado ou aço
carbono pintado, e não é recomendado o uso de lona plástica.(16)
23
Figura 16 - Isolamento do reservatório térmico
Figura 17 - Sacos de ração para cachorros utilizados no isolamento térmico
2.2.2.8 Reservatório de água fria
O reservatório de água fria foi composto por um galão plástico de 20 litros reutilizado,
e, posteriormente, tingido de azul para dar o acabamento final (Figura 18). A alimentação de
água fria do reservatório deve ser exclusiva, isto é, não deve permitir a presença de derivações
para outros pontos.(16)
24
Figura 18 - Preparação do reservatório de água fria
2.2.2.9 Respiro
O respiro é o dispositivo destinado a equalização natural das pressões positiva e negativa
do sistema de aquecedor termo solar, saída de ar e vapor.(12) No protótipo, o respiro foi
instalado na tubulação de saída de água quente do reservatório térmico (boiler), reutilizando
um retalho de mangueira de 25 cm (Figura 19).
25
Figura 19 - Respiro
2.3 MÉTODO DE ENSAIO
Com o intuito de analisar a aplicabilidade do protótipo quanto à eficiência do coletor, à
capacidade térmica do reservatório alternativo, ao conforto térmico do usuário e ao nível crítico
para início da degradação do coletor, foram realizados quatro ensaios descritos a seguir,
embasados nos estudos de Sodré (2010).(8) Em todos os ensaios foi utilizado o termômetro
digital a laser infravermelho. Para a coleta de dados dos ensaios, foram criadas tabelas originais
direcionadas para cada estudo aplicado.
2.3.1 Ensaio de eficiência do coletor
O ensaio de eficiência do coletor de policarbonato foi realizado buscando verificar sua
eficácia quanto ao aquecimento de água. O ensaio consistiu em coletar as temperaturas de saída
do sistema nos períodos do dia em que houve radiação solar. Para a coleta de dados, utilizou-
se o modelo apresentado na Tabela 1.
26
ENSAIO DE EFICIÊNCIA DO COLETOR
Data da coleta:
Hora da
coleta 08:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída
Hora da
coleta 09:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 10:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 11:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 12:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída
27
Hora da
coleta 13:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 14:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 15:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 16:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída
Hora da
coleta 17:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 18:00
Condição
climática:
28
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Tabela 1 - Ensaio de eficiência do coletor
2.3.2 Ensaio da capacidade térmica do reservatório alternativo
O ensaio de capacidade térmica do reservatório alternativo foi realizado com a
finalidade de averiguar o tempo pelo qual a água se manteria aquecida dentro do reservatório
térmico. Tal passo foi aplicado em duas etapas: Coletar a temperatura de saída do sistema, com
a utilização do termômetro digital a laser, ao pôr-do-sol; E no dia seguinte, pela manhã (ao
nascer do sol), coletar novamente a temperatura de saída do sistema, verificando se haveria
oscilações na temperatura. Para a coleta de dados, utilizou-se o modelo apresentado na Tabela
2.
ENSAIO DA CAPACIDADE TÉRMICA DO RESERVATÓRIO
Poente (Inicio do
ensaio):
Nascente (Final do
ensaio):
Data da coleta: Data da coleta:
Hora da coleta: Hora da coleta:
Temperatura
ambiente:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída
Temperatura de
saída:
Tabela 2 - Ensaio da capacidade térmica do reservatório
2.3.3 Ensaio de conforto térmico ao usuário
O ensaio de conforto térmico ao usuário foi realizado para verificar a temperatura de
banho proporcionada pela água aquecida através do sistema, visando obter a temperatura ideal
34C.(8) Consistiu em simular banhos às 7h, 12h e 18h, a fim de coletar dados da temperatura
29
de saída do sistema em horários de banho convencionais da população brasileira.(8) Para a
coleta de dados, utilizou-se o modelo apresentado na Tabela 3.
ENSAIO DE CONFORTO TÉRMICO AO USUÁRIO
Data da coleta:
Hora da
coleta 08:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída
Hora da
coleta 12:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Hora da
coleta 18:00
Condição
climática:
Temperatura
ambiente:
Temperatura de
saída:
Tabela 3 - Ensaio de Conforto térmico ao usuário
2.3.4 Ensaio de degradação térmica do coletor
O ensaio de degradação térmica do coletor visou analisar a temperatura da superfície
exposta do coletor entre 11h e 13h, períodos de radiação solar máxima e constante.(8) Para sua
realização, foram feitas coletas das temperaturas das partes inferior (T1), central (T2) e superior
(T3) do coletor, com o intuito de analisar se atingiria o nível crítico de degradação térmica. Para
a coleta de dados, utilizou-se o modelo apresentado na Tabela 4.
30
ENSAIO DE DEGRADAÇÃO TÉRMICA DO COLETOR
Data da coleta:
Hora da
coleta 11:00
Temperatura
ambiente: T1:
Condição
climática: T2:
T3:
Hora da
coleta 12:00
Temperatura
ambiente: T1:
Condição
climática: T2:
T3:
Hora da
coleta 13:00
Temperatura
ambiente: T1:
Condição
climática: T2:
T3:
Tabela 4 - Ensaio de degradação térmica do coletor
2.3.5 Estudo de viabilidade
O estudo de viabilidade foi direcionado para um projeto de casa popular com área de
40,36 m² (Figura 20). Para sua elaboração, fez-se o levantamento de todos os aparelhos elétricos
da casa embasado na tabela do Procel/Eletrobrás, verificando a porcentagem de consumo de
energia elétrica total para, posteriormente, apresentar o custo-benefício com a substituição do
chuveiro elétrico pelo sistema de aquecedor termo solar.(11)
31
Figura 20 - Planta baixa de uma casa popular (Escala 1:50)
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 DIMENSIONAMENTO
Este item aborda sobre o dimensionamento de um sistema de aquecimento solar
alternativo para uma residência localizada na cidade de Brasília - DF. Inicialmente, foi
necessário estimar o número de moradores, obter a declinação magnética e a inclinação dos
coletores para o seu posicionamento. A inclinação está relacionada com a latitude do local e os
coeficientes de ganho e perda do coletor solar. (12)
32
Os coeficientes utilizados para o cálculo foram obtidos a partir da Tabela de
Consumo/Eficiência energética para sistemas e equipamentos para aquecimento solar de água,
na aplicação banho, disponibilizada pelo INMETRO, os quais: FR = 0,780 e FRUL = 14,726,
tendo o termoplástico como material de superfície absorvedora.(17)
Após este estudo inicial, verificou-se que para uma residência localizada na cidade de
Brasília-DF, a declinação magnética padrão é de 20 ao Oeste, de acordo com a ABRAVA
(2008).(18) E a inclinação adequada de instalação dos coletores é de a 15º46’47” da superfície,
de acordo com a latitude para a mesma cidade obtida em dados do IBGE (2011).(19) Optou-se
por realizar o dimensionamento para uma residência com quatro moradores, com a
disponibilidade de água quente somente na tubulação do chuveiro.
Nos tópicos seguintes, discute-se detalhadamente sobre o dimensionamento, o qual
abrange volume de consumo de água do chuveiro, volume do sistema de armazenamento do
reservatório térmico, demanda de energia útil e a área coletora do coletor.
3.1.1 Volume de consumo de água do chuveiro
Com o intuito de estimar o volume de consumo de água quente do chuveiro por dia para
uma residência com quatro moradores, obteve-se os valores da vazão da peça de utilização
(chuveiro), o tempo médio de seu uso diário e o número total de sua utilização. Para tanto,
utilizou-se da equação (1) da norma NBR 15569/08, resultando na equação 8.(12)
lpessoaslconsumo
264)4min10min/6,6( . (8)
Assim, compreende-se que o volume de consumo para uma casa de quatro pessoas será
de 264 litros por dia.
3.1.2 Volume do sistema de armazenamento do reservatório térmico
O volume que o sistema de armazenamento do reservatório térmico deverá comportar
foi encontrado através da equação (2), onde os valores das variáveis foram obtidos através da
NBR 15569/08.(12) Adotou-se como temperatura de consumo ideal para banho 34 ºC, e, como
a temperatura de armazenamento deve ser maior ou igual a temperatura de consumo, foi
33
adotado 40ºC, tendo em vista que existe perda de temperatura na tubulação de saída entre o
boiler e o chuveiro. Com isso obtivemos a equação (9).(12)
lCC
CClv
ntoarmazename181
)º21º40(
)º21º34(264
. (9)
O volume de armazenamento foi de 181 litros, porém este volume deve ser maior ou
igual a 75% do volume de consumo. Temos que o volume de consumo é de 264 litros, assim
75% desse valor será 198 litros, mas como não existe comercialmente boiler neste valor,
adotamos 200 litros como o volume de armazenamento.
3.1.3 Demanda de energia útil
Através da equação (3) foi encontrada a demanda de energia útil do coletor por dia,
apresentada na equação (10).(12)
dia
KWhCC
KgK
Kj
m
Kgl
Eútil
41,43600
)º21º40()(18,4)³
(1000200
. (10)
Analisa-se que em 30 dias, a energia útil utilizada pelo coletor é de 201,9 KWh.
3.1.4 Área coletora
Com os resultados obtidos anteriormente, foi possível estimar a área coletora do coletor
solar, como é visto na equação (11).(12)
²22,2
*²7,5
*²02,2
901,403,1)6615,041,4(
m
diam
KWh
diam
KWh
dia
KWh
dia
KWh
Acoletora
. (11)
Onde:
O Somatório das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário foi calculado na
equação (12). (12)
dia
KWh
dia
KWhE
perdas6615,041,415,0 . (12)
34
A produção média diária de energia especifica do coletor solar (Kwh/m²) foi calculada
através da Equação (13).(12)
diam
KWPMDEE
*²02,2)726,140249,0780,0(901,4 . (13)
E o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar foi calculado através
da equação (14).(12)
03,120105,3)2616(102,1[1
1
2524
instalaçãoFC . (14)
O sistema de aquecimento solar alternativo, então, teve uma área coletora de 2,22 m² e
seu reservatório térmico apresentava 200 litros. A inclinação ótima para a instalação,
considerando a cidade de Brasília, foi de 26º em relação ao plano horizontal.
3.2 ENSAIOS
Os ensaios foram realizados na estação outono, período do ano em que as temperaturas
apresentam-se amenas na região centro-oeste, com as mínimas variando entre 12ºC a 18ºC, e
as temperaturas máximas oscilando entre 18ºC e 28ºC.(20)
3.2.1 Ensaio de eficiência do coletor
O ensaio de eficiência do coletor foi realizado às oito horas da manhã. Completou-se
todo o sistema com água, que incluiu reservatórios de água fria e térmico, e coletor solar, a uma
temperatura de 21C, e se expôs o coletor à radiação solar durante todo o período do dia em
questão (manhã e tarde). Observou-se que, após uma hora de exposição, atingiu-se uma
temperatura de 33,9C, resultado próximo da temperatura ideal. Durante a exposição na
temperatura de pico, no período de 11 horas da manhã às 13 horas da tarde, a água aquecida
pelo sistema chegou à 50C. Durante todo o ensaio, o tempo apresentou-se nublado, com
poucos períodos de sol, e ventos fortes chegando a 16km/h, segundo dados do INPE.(20)
Estes dados demonstram que, apesar de condições climáticas com baixa radiação solar,
a água é aquecida pelo coletor solar de forma eficaz, conforme ilustrado no Gráfico 1.
35
Gráfico 1 - Ensaio de eficiência do coletor. A maior temperatura atingida foi obtida entre 11h
da manhã e 13h da tarde, período do dia em que a radiação solar é máxima e constante. Após
esse período não há nenhum acréscimo de temperatura, apenas perda.
3.2.2 Ensaio da capacidade térmica do reservatório
Após um dia do sistema em funcionamento foi coletada uma temperatura de 44,3 ºC às
17h55min da tarde, ao pôr do sol, segundo o INMET.(21) No dia seguinte, às 06h26min da
manhã, ao nascer do sol, foi coletada uma temperatura de 34,7 ºC, mostrando uma perda de
temperatura de 9,6 ºC.(21)
Após o período entre o pôr do sol e o nascer do sol, em que não existe radiação solar, o
boiler alternativo construído ainda apresentava temperatura acima da ideal para banho,
conforme ilustrado no Gráfico 2, porém ainda está fora dos parâmetros apresentados pelos
boilers industriais, que de acordo com o estudo de Sodré (2010) apresentam perda térmica de
apenas 5ºC em um período de 24 horas sem radiação solar.(8)
1820 21 23 24 25 24 24
19 20 2021
33,9
40
47,650 50
47,8 46,844,3 43,4 41,9
0
10
20
30
40
50
60
8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Tem
per
atu
ra (C
)
Tempo (hora)
Tamb Tsaída
36
. Gráfico 2 - Resultado da capacidade térmica do reservatório
3.2.3 Ensaio de conforto térmico ao usuário
O ensaio de conforto térmico ao usuário foi realizado no período de cinco dias, e a seguir
serão detalhadas as temperaturas máximas de aquecimento de água obtidas em cada dia. A
Tabela 5 descreve os registros encontrados durante o ensaio.
No primeiro dia do estudo, devido à baixa radiação solar decorrente de tempo chuvoso,
o sistema não apresentou nenhum tipo de aquecimento, apenas acumulou a energia do dia
anterior no reservatório.
No segundo dia, houve poucos períodos de sol, porém suficientes para o aquecimento
da água, que atingiu a temperatura de 45,9 C, resultado acima da temperatura ideal estipulada
para banho.
No terceiro dia, as temperaturas foram mais amenas, com curtos períodos de sol, ventos
frios e constantes durante todo o dia, proporcionando uma temperatura máxima da água de
43,2C.
No quarto dia de ensaio, pela manhã, o céu estava totalmente encoberto, sem períodos
de sol. Assim, não houve aquecimento da água, apenas a perda da energia acumulada do dia
anterior, porém no período da tarde houve períodos de sol, elevando a temperatura da água a
39,2C.
2016
44,3
34,7
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
17:55 6:26
Tem
per
atura
(C
)
Tempo (hora)
Tamb Tsaída
37
No quinto dia, o tempo apresentou-se nublado, com curtos períodos de sol na parte da
tarde. Com isso, o aquecimento de água foi favorecido, proporcionando uma temperatura ideal
para banho em dois horários: Às 12h da tarde e às 18h da tarde.
Com esse ensaio, comprovou-se que mesmo em dias com tempo nublado e curtos
períodos de sol, o coletor é capaz de elevar a temperatura da água muito acima da temperatura
ideal para banho; e o reservatório térmico alternativo armazenou com eficiência a energia de
um dia para o outro, proporcionando quase sempre temperaturas de banho.
Dia Data Hora Temperatura
Ambiente (C)
Temperatura
de Saída
(C)
Condição
Climática
do Dia
1º dia
11/05
07:00
12:00
18:00
15
16
18
34,5
30
24,6
Encoberto e
nublado com
pancadas de chuvas
isoladas
2º dia
12/05
07:00
12:00
18:00
16
21
19
20
45,9
43,2
Nublado a
parcialmente
nublado com
pancadas de chuvas
isoladas
3º dia
13/05
07:00
12:00
18:00
16
20
18
34
43,1
40,5
Nublado a
parcialmente
nublado com
pancadas de chuvas
isoladas
4º dia
14/05
07:00
12:00
18:00
15
18
16
31,2
28,6
39,2
Nublado a
parcialmente
nublado com
pancadas de chuvas
isoladas
5º dia
15/05
07:00
12:00
18:00
16
20
19
30
37
38,6
Nublado e períodos
de encoberto
Tabela 5 - Resultados do ensaio de conforto térmico do usuário
38
3.2.4 Ensaio de degradação térmica do coletor
A Tabela 6 apresenta a análise da média das temperaturas em vários pontos da superfície
superior do coletor, coletadas no período do dia em que apresentava radiação solar máxima e
constante. Verificou-se que as temperaturas atingidas estavam distantes de atingir o nível de
degradação térmica de 130C.
T3 = 48,1C
Tamb = 21C T2 = 44,7C
T1 = 41,7C
SUPERFÍCIE SUPERIOR (COLETOR)
Tabela 6 - Resultados do ensaio de degradação térmica
3.3 ESTUDO DE VIABILIDADE
Verificou-se, através do estudo de viabilidade, que o consumo médio mensal de energia
elétrica da residência será de 232,04 Kwh. Quando esse consumo médio encontrado é
multiplicado pela tarifa da distribuidora de energia local (Companhia Energética de Brasília -
CEB), que é de 0,36931 reais, segundo a ANEEL, chegaremos a um custo total mensal de 85,69
reais. O chuveiro, de forma isolada, consome mensalmente 110 Kwh, o que equivale a 47,4%
do consumo mensal total da casa. Logo, se substituirmos o chuveiro elétrico por um sistema de
aquecedor termo solar de baixo custo teremos uma economia de 40,62 reais.(22)
Sodré desenvolveu um boiler alternativo de 200 litros com a mesma eficiência do boiler
industrial, utilizando um tambor de fibra de vidro como corpo interno, EPS triturado para o
revestimento térmico, e tambor de polietileno como corpo externo. Seu custo total foi cerca de
200,00 reais.(8)
Conforme o dimensionamento apresentado neste estudo, para uma casa popular de
quatro pessoas, é preciso um sistema com um boiler de 200 litros e um coletor solar com área
de 2,2 m². O custo unitário da placa de policarbonato é em média 35,71 reais, logo, se
39
utilizarmos o boiler alternativo proposto por Sodré teremos um custo total estimado em 278,56
reais, somado aos custos de tubos, conexões e materiais para acabamento.(8) Dessa forma, o
sistema apresentaria um custo total de 355,47 reais.
Substituindo o chuveiro elétrico desta casa por um sistema de aquecedor termo solar
alternativo o retorno do investimento será alcançado em apenas nove meses, e após este período
a economia gerada pelo sistema se transformará em lucro. A tabela 7 apresenta os dados do
estudo de viabilidade realizado.
Aparelhos elétricos
por cômodo
Dias estimados
uso/mês
Média
utilização/dia
Consumo médio
mensal
(Kwh)
Sala
Televisão 30 5h 14,25
Som 20 3h 6,6
DVD 8 2h 0,24
Modem de internet 30 8h 1,92
Ventilador de mesa 30 8h 17,28
Carregador celular 30 2h 0,9
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 5h 3,45
Cozinha
Geladeira 1 porta 30 24h 25,20
Fogão 30 1h 1,8
Liquidificador 15 15min 0,8
Micro-ondas 30 20min 13,98
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 5h 3,45
Banheiro
Chuveiro Elétrico -
5500w
30 40min 110
Secador de cabelo 30 10 min 5,21
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 10min 3,45
40
Área de Serviço
Lavadora de roupas 12 1h 1,76
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 3,45
Dormitório 01
Carregador Celular 30 2h 0,9
Notebook 30 8h 4,8
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 5h 3,45
Dormitório 02
Carregador Celular 30 2h 0,9
Notebook 30 8h 4,8
Lâmpada
fluorescente - 23w
30 5h 3,45
TOTAL 232,04
Tabela 7 - Estudo de viabilidade
3.4 CUSTO DO PROTÓTIPO
O custo total do protótipo foi de 149,08 reais. O custo do boiler se resume ao valor de
duas unidades de espuma expansiva de poliuretano e duas placas de EPS (isopor), apresentando
um custo total de 36,30 reais, pois os demais materiais utilizados foram frutos de reutilização.
A Tabela 8 apresenta os custos do protótipo executado.
Material Unidade Quantidade Custo
Unitário (R$)
Custo Total
(R$)
Forro
Policarbonato
m² 0,45 35,71 16,00
Tubo PVC
(32mm)
unid 1 21,80 21,80
Tubo PVC
(20mm)
unid 1 9,00 9,00
Mangueira de
silicone
m 2 3,49 6,98
Conexões unid 13 1,00 13,00
41
Resina para
Laminação
Kg 1 15,00 15,00
Tinta Spray
(preto)
unid. 1 13,00 13,00
Tinta Spray
(azul)
unid. 1 13,00 13,00
Adesivo
Plástico
Kg 1 5,00 5,00
Boiler
Alternativo
unid. 1 36,30 36,30
TOTAL
149,08
Tabela 8 - Custo do Protótipo
42
4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Concluiu-se com este estudo que o sistema de aquecedor termo solar para chuveiro
doméstico, construído com materiais alternativos, mostrou-se viável por ser uma solução de
baixo custo. Suas vantagens estão relacionadas à economia no consumo de energia elétrica e à
sustentabilidade, ou seja, não proporciona impactos ao meio ambiente e auxilia na redução da
demanda de energia gerada por usinas hidrelétricas. Os resultados obtidos demonstram que,
com o sistema de coletor termo solar construído, é possível alcançar uma temperatura de água
ideal para banho, e mantê-la aquecida no reservatório térmico, proporcionando conforto ao
usuário em todos os horários de banho propostos.
É necessário que sejam realizados estudos específicos acerca do reservatório térmico,
visando obter uma eficiência térmica equivalente a de um reservatório industrial, porém com a
utilização de materiais de baixo custo. A estação do ano é um fator a ser considerado em futuros
estudos para a aplicação dos ensaios, a fim de comparar a capacidade de aquecimento da água
pelo sistema durante todo o período do ano. Como este estudo foi realizado no outono, os
ensaios apresentaram dificuldades em sua realização, devido às temperaturas amenas e poucos
períodos de sol. Dessa forma, os resultados de eficiência máxima do sistema de aquecedor
termo solar proposto não puderam ser analisados. Sugere-se, então, que os ensaios para avaliar
o sistema sejam aplicados na estação do ano em que há a máxima radiação solar e temperaturas
elevadas para a análise precisa de sua eficiência máxima.
43
ABSTRACT
This coursework is about an experimental study that has the objective to construct a prototype
of a thermo-solar heater for domestic showers, with the utilization of the polycarbonate as a
solar collector and alternative materials to produce the thermic source, in order to reduce the
cost of the heating system and diminish the environmental impact created by the non-renewable
energy sources and the demand of the hydroelectric power plants. Our main goal is to present
an alternative solution to the actual usage of energy in residences, knowing that the shower
represents 47,4% of a common residence where four people live. We intended to realize a real
dimensioning of the system to guarantee its quality and functioning. Tests were realized to
evaluate the efficiency of the thermo-solar heating system and its practical applications for a
viability study.
Key-words: Energy economy. Alternative sources. Polycarbonate. Prototype.Thermo-solar
heater
44
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