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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
Cristina Miola
PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA
AGREGAÇÃO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO
DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR
Santa Maria, RS
2017
Cristina Miola
PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE
ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Engenharia Civil, da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM/RS), como
requisito parcial para a obtenção do título de
Engenheira Civil
Orientadora: Profª Drª. Rutinéia Tassi
Santa Maria, RS
2017
Cristina Miola
PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE
ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso de Engenharia Civil, da Universidade
Federal de Santa Maria (UFSM/RS), como
requisito parcial para a obtenção do título de
Engenheira Civil
Aprovado em 14 de junho de 2017:
________________________________________
Rutinéia Tassi, Dra. (UFSM)
(Orientadora)
_________________________________________
Geraldo Rampelotto, Me. (UFSM)
_________________________________________
Leandro Conceição Pinto, Dr. (UFSM)
Santa Maria, RS
2017
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram tanto na conclusão
deste trabalho como na minha formação pessoal e profissional nos últimos anos.
Especialmente, agradeço:
- Aos meus pais, Sérgio Miola e Claire Bernardon Miola pelo amor e educação, e às
minhas irmãs, Emanuele Miola e Juliana Miola por sempre estarem ao meu lado;
- À Prof. Dra. Rutinéia Tassi, pela orientação neste trabalho e conhecimento
transmitido;
- A todo o corpo docente do curso pelo conhecimento adquirido durante a graduação;
- Ao meu namorado, Lauri Junior Moreira, pelo amor e companheirismo, e pelas
conversas e sugestões que me auxiliaram no desenvolvimento deste trabalho;
- Aos colegas de graduação e aos amigos que fiz ao longo desse período pelas
experiências compartilhadas e pelos divertidos momentos vividos.
RESUMO
PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE
ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA
UNIFAMILIAR
AUTORA: Cristina Miola
ORIENTADORA: Rutinéia Tassi
O aquecimento de água no setor residencial é responsável por uma importante parcela do
consumo nacional de energia, sendo suas principais fontes a eletricidade, seguida do gás
liquefeito de petróleo. Uma alternativa em substituição às fontes convencionais de energia é o
aproveitamento da energia solar térmica que se constitui em uma fonte abundante, não
poluente e gratuita. Como vantagens da utilização da energia solar de forma intensiva,
destacam-se a possibilidade de redução de problemas ambientais decorrentes da geração de
energia não sustentável, além da economia aos seus usuários e também ao país. Nesse
contexto, objetivou-se com esse trabalho analisar a viabilidade técnica e econômica da
instalação de um sistema de aquecimento de água para uma residência unifamiliar, composto
por placas coletoras solar e reservatório térmico, complementado pelo apoio de um sistema de
aquecimento de passagem a gás. O resultado dessa análise foi comparado com indicadores
obtidos para o uso do aquecedor de passagem a gás. Para o dimensionamento do sistema solar
foram considerados parâmetros da norma técnica NBR 15569/2008, enquanto para a análise
do aquecimento de passagem foram utilizadas as características do aquecedor já instalado na
edificação. A partir das características do projeto foi realizado o fluxo de caixa dos gastos e
economias, para prosseguir com a aplicação dos métodos do payback, taxa interna de retorno
e valor presente líquido para verificar a viabilidade econômica. Foi considerada uma taxa
mínima de atratividade equivalente à rentabilidade de uma aplicação na poupança. A partir
dos resultados se concluiu que o sistema de aquecimento solar tem seu retorno de
investimento e Valor Presente Líquido positivo em 7 anos e 10 meses, confirmando a
viabilidade econômica do sistema.
Palavras-chave: Energia solar. Aquecimento de água. Coletor solar.
ABSTRACT
PROPOSAL AND ANALYSIS OF ECONOMIC VIABILITY OF AGGREGATION OF
SOLAR THERMAL ENERGY TO WATER HEATING IN A SINGLE-FAMILY
RESIDENCE
AUTHOR: Cristina Miola
ADVISOR: Rutinéia Tassi
Water heating in the residential sector accounts for a large share of the national energy
consumption, with its main sources being electricity, followed by liquefied petroleum gas. An
alternative to conventional energy sources is the use of solar thermal energy, which is an
abundant, non-polluting and free source. The advantages of using solar energy intensively
include the possibility of reducing environmental problems resulting from the generation of
unsustainable energy, as well as saving to its users and to the country. In this context, the
objective of this work was to analyze the technical and economic viability of the installation
of a water heating system for a single-family residence, composed of solar collector plates and
thermal reservoir, complemented by the support of a gas heating system. The result of this
analysis was compared with the indicators obtained for the use of the gas heater. For the
design of the solar system, the parameters of technical standard NBR 15569/2008 were
considered, while the characteristics of the heater already installed in the building were used
for the analysis of pass heating. Based on the characteristics of the project, the cash flow of
the expenditures and savings was carried out in order to proceed with the application of the
payback methods, internal rate of return and net present value to verify economic viability. A
minimum rate of attractiveness was considered equivalent to the profitability of an application
in saving. From the results it was concluded that the solar heating system has its return on
investment and positive net present value in 7 years and 10 months, confirming the economic
viability of the system.
Keywords: Solar energy. Water heating. Solar collector.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Instalação de um sistema solar de aquecimento de água ........................................ 14
Figura 2 – Coletores Solares ..................................................................................................... 15
Figura 3 – Corte transversal esquemático de um coletor solar plano ...... .................................16
Figura 4 – Esquema de transferência de calor num coletor solar de tubos de vácuo... ............ 17 Figura 5 – Curvas de eficiência de coletores em função da temperatura ................................. 18
Figura 6 – Distribuição de coletores por tipo no mundo em 2014 ........................................... 19
Figura 7 – Capacidade Instalada nos 10 maiores mercados de aquecedores solares em 2014. 20
Figura 8 – Orientação geográfica dos coletores solar............................................................... 20
Figura 9 – Recomendação de orientação dos coletores em relação ao Norte........................... 21
Figura 10 – Ângulo de inclinação dos Coletores ...................................................................... 22
Figura 11 – Esquema de ligações entre coletores ..................................................................... 22
Figura 12 – Reservatório Térmico de Alumínio ....................................................................... 24
Figura 13 – Instalação em termossifão ..................................................................................... 25
Figura 14 – Configurações utilizadas para sistema auxiliar de aquecimento ........................... 26 Figura 15 – Esquema de funcionamento de um aquecedor de passagem ................................. 27
Figura 16 – Localização de Lagoa Vermelha no Rio Grande do Sul ....................................... 34
Figura 17 – Vista de Localização da residência no município de Lagoa Vermelha ................ 35 Figura 18 – Aquecedor de passagem instalado ........................................................................ 36
Figura 19 – Bomba pressurizadora .......................................................................................... 37
Figura 20 – Vista Frontal SAS ................................................................................................. 40
Figura 21 – Vista em Corte SAS .............................................................................................. 40
Figura 22 – Vista Isométrica SAS ............................................................................................ 41
Figura 23 – Esquema representativo da ligação com válvula desviadora termostática ............ 42
Figura 24 – Esquema de instalações hidráulicas complementares. .......................................... 46
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Temperatura média mensal em Lagoa Vermelha ................................................. 35 Quadro 2 – Consumo diário de água quente ............................................................................ 43
Quadro 3 – Despesas totais de instalação do sistema SAS ...................................................... 47
Quadro 4 – Despesas com gás .................................................................................................. 48
Quadro 5 – Valores obtidos de fluxo de caixa ......................................................................... 49
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 10
1.1 OBJETIVOS ................................................................................................................ 12
1.1.1 Objetivos Gerais .......................................................................................................... 12
1.1.2 Objetivos Específicos .................................................................................................. 12
1.2 JUSTIFICATIVA ......................................................................................................... 12
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 14
2.1 SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA (S.A.S) ................................. 14
2.2 COLETOR SOLAR ...................................................................................................... 15
2.2.1 Coletores Fechados Planos e Coletores de Tubo a Vácuo
para fins sanitários ..................................................................................................... 16
2.2.2 Condições de Instalação dos Coletores ................................................................... 20
2.2.3 Associação de Coletores ............................................................................................. 22
2.3 RESERVATÓRIO TÉRMICO ............................................................................... .....23 2.4 CIRCULAÇÃO DE ÁGUA NO SISTEMA DE AQUECIMENTO
SOLAR DA ÁGUA ...................................................................................................... 24
2.5 FONTE AUXILIAR DE ENERGIA........................................................................... 26
2.5.1 Aquecedores a gás.......................................................................................................27
2.6 DIMENSIONAMENTO DE UM S.A.S.......................................................................28 2.7 FRAÇÃO SOLAR.........................................................................................................31
2.8 ANÁLISE DE INVESTIMENTO................................................................................31
2.8.1 Valor Presente Líquido...............................................................................................32
2.8.2 Taxa Interna de Retorno............................................................................................32 2.8.3 Payback........................................................................................................................33
3. METODOLOGIA.......................................................................................................34
3.1 ÁREA DE ESTUDO.....................................................................................................34
3.2 CONCEPÇÃO DO PROJETO S.A.S...........................................................................35
3.3. DIMENSIONAMENTO...............................................................................................37
3.4 ANÁLISE ECONÔMICA ............................................................................................. 37
4 RESULTADOS............................................................................................................39 4.1 CONFIGURAÇÃO PROPOSTA PARA O S.A.S........................................................39
4.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR....................42
4.2.1 Volume Diário de Água Quente Consumida.............................................................42
4.2.2 Cálculo do Volume de Armazenamento....................................................................43
4.2.3 Cálculo da Área Coletora...........................................................................................43
4.3 INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS COMPLEMENTARES........................................45
4.4 ANALISE ECONÔMICA ............................................................................................ 47
5 CONCLUSÃO.............................................................................................................51
6 LIMITAÇÕES.............................................................................................................52
REFERÊNCIAS ..........................................................................................................53
ANEXO A.....................................................................................................................56
ANEXO B.....................................................................................................................57
ANEXO C.....................................................................................................................58
10
1 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento global acompanhado da crescente exploração dos recursos naturais
tem alertado o mundo para a necessidade do uso de fontes alternativas de energia. Diante
disso, é possível antever cenários de um futuro com ampla utilização da energia solar, no qual
o Brasil tem capacidade de se tornar referência mundial. Praticamente todas as regiões do país
recebem mais de 2200 horas de insolação, potencial que equivale a 15 trilhões de MWh
(ABRAVA, 2008). Esse valor é muito maior que o consumo nacional de eletricidade – de
acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) em 2016 o consumo total de energia
elétrica foi de 460.001 GWh. Porém, o Brasil ainda tem um baixo nível de aproveitamento do
potencial energético renovável, inclusive no que se refere aos sistemas solares de aquecimento
de água.
Conforme o Balanço Energético Nacional (BEN, 2016), com os dados relativos a
2015, o setor residencial consome 9,6% da energia gerada no país; dentro deste setor,
destacam-se como principais fontes de energia a eletricidade (45,2%) e o gás liquefeito de
petróleo (26,2%). De acordo com a ELETROBRÁS (2012), estima-se que a participação do
chuveiro elétrico no consumo residencial de energia seja em torno de 24%; em uma residência
pequena com quatro moradores esse consumo pode representar até 45% nos meses mais frios
e 30% quando a potência do chuveiro pode ser reduzida em um período mais quente. Nas
habitações brasileiras, a utilização dos chuveiros elétricos é bastante disseminada – seu uso se
intensificou a partir da década de 70, devido à crise do petróleo e estímulo ao uso da energia
elétrica (ABRAVA, 2008). Estes equipamentos são produzidos em larga escala e possuem
baixo custo inicial, porém ao longo de sua vida útil representam elevadas demandas para o
setor elétrico.
Outro método comum de aquecimento da água ocorre a partir de aquecedores a gás
(GN ou GLP), destacando-se o uso de GLP que, conforme BEN (2016), é mais presente no
segmento residencial do que o GN. Ainda, de acordo com dados do BEN (2016) a relação de
preços eletricidade residencial/GLP é de 2,6. Como o custo da tarifa de energia elétrica
residencial é maior comparada ao custo do GLP a opção pela energia a gás é interessante
economicamente. Contudo, a ideia de um sistema de aquecimento fundamentada na
alternativa mais correta e vantajosa em termos socioeconômicos e ambientais se configura no
sistema híbrido de energia solar, no qual gás ou eletricidade são apenas fontes de apoio.
11
O mercado mundial de aquecedores solares de água cresceu significativamente durante
os anos 90 e, como resultado, houve a melhoria da qualidade de equipamentos e preços cada
vez mais acessíveis (ABRAVA, 2008). Hoje essa tecnologia está bem desenvolvida e
proporciona um sistema eficiente, com baixo custo de manutenção, além de fazer uso de uma
fonte limpa, gratuita e inesgotável de energia. Ainda assim, conforme MUND (2014), o
emprego de coletores solares é relativamente baixo no Brasil. RODRIGUES & MATAJS
(2005), afirmam que uma das barreiras para a difusão de sua utilização nas habitações
brasileiras deve-se ao fato do investimento inicial dos coletores solares ser maior que outros
sistemas. Entretanto, pesquisas em vários países comprovam a viabilidade técnico-econômica
do uso dos aquecedores solares em relação as opções de aquecimento elétrico e a gás.
(CRAWFORD; TRELOAR, 2004; KALOGIROU, 2009; OLIVEIRA et al., 2008; apud Altoé
et al, 2012).
O uso de coletores solares se tornou obrigatório mundialmente por meio de
promulgações de leis, normas e programas de certificação energética (CASALS, 2006 apud
ALTOÉ et al, 2012). No Brasil existem projetos e programas de incentivo ao uso de energia
solar entre eles projetos de leis e resoluções que variam de nível nacional a municipal
(LUSA,2015). Algumas cidades que possuem leis de incentivo ao uso da energia solar para
aquecimento de água são: Varginha (MG), São Paulo (SP), Peruíbe (SP), Avaré (SP), Juiz de
Fora (MG) e Birigui (SP). Nestas, o esforço ocorre através da obrigatoriedade do uso de
aquecedores solares em novas edificações (com ênfase na edificação de interesse social e em
edificações públicas) e da criação de programas de incentivos fiscais. (NASPOLINI, 2012).
Em São Paulo, por exemplo, a lei 14.459, aprovada em 2007, determina a utilização
obrigatória de aquecedores solares de água no caso de edificações com quatro ou mais
banheiros e a instalação obrigatória da estrutura para receber o sistema solar térmico em
novas edificações (SÃO PAULO, 2007).
No contexto mundial, percebe-se a importância cada vez maior de se fazer uso da
energia solar como forma de diminuir a dependência da eletricidade e de combustíveis
fosseis. Tendo em vista que o Brasil tem um grande potencial para aproveitamento dos
recursos solares e pode otimizar os recursos energéticos, a informação e conhecimento técnico
a respeito são necessários para incorporar largamente a energia térmica solar nas residências
brasileiras.
12
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivos Gerais
O objetivo geral do trabalho é realizar uma análise da viabilidade técnica e econômica
de um sistema de aproveitamento da energia solar para aquecimento de água em uma
residência unifamiliar, complementando um sistema de aquecimento existente, constituído por
um aquecedor de passagem a gás, o qual servirá como fonte auxiliar.
1.1.2 Objetivos Específicos
São objetivos específicos do trabalho:
a) Apresentar os fundamentos do sistema de aquecimento solar, abordando suas
características, etapas de dimensionamento e componentes;
b) Apresentar a concepção e o detalhamento do projeto, assim como os custos
envolvidos para a utilização da energia solar no aquecimento de água em uma
residência unifamiliar;
c) Analisar a viabilidade econômica do projeto a partir dos métodos do payback, taxa
interna de retorno e valor presente líquido.
1.2 JUSTIFICATIVA
O uso de energia solar para aquecer a água é a alternativa que causa menos impacto no
ambiente, colaborando com uma economia mais sustentável. A adoção massiva destes
sistemas contribui para reduzir a dependência do setor elétrico assim como dos recursos não
renováveis.
O uso da energia solar térmica no setor residencial é uma solução em desenvolvimento
no país. Há necessidade de maior número de profissionais capacitados para atender a
demanda e melhor conhecimento sobre dimensionamento assim como de informações
técnicas a respeito. (ABRISNTALL; COMGÁS, 2011).
O Brasil tem um baixo índice de aproveitamento da energia solar térmica e um grande
potencial de crescimento. Estima-se que os coletores solares estejam presentes em 5% das
residências brasileiras, representando em torno de 1,2% da matriz elétrica nacional (DASOL,
2014). A informação e conscientização da sociedade quanto as vantagens financeiras e sociais
13
contribuem para o interesse na utilização da tecnologia solar. O conhecimento técnico
também é uma forma de difundir o interesse em autoridades públicas e aumentar a inclusão
em novos projetos sociais (LUSA, 2015).
14
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA (S.A.S)
A NBR 15569 (2008, p.4) define o sistema de aquecimento solar como “um sistema
composto por coletor(es) solar(es), reservatório(s) térmico(s), aquecimento auxiliar,
acessórios e suas interligações hidráulicas que funciona por circulação natural ou forçada”. A
Figura 1 ilustra os componentes básicos desse sistema.
Figura 1 – Instalação de um sistema solar de aquecimento de água.
Fonte: Metálica (2017)
De forma simplificada, esse funcionamento ocorre através das seguintes etapas:
captação da energia solar; transferência da energia para o fluído; armazenamento da energia
térmica e distribuição da água aquecida para o sistema. Nas etapas de conversão e
armazenamento da energia térmica os coletores e o reservatório trabalham em conjunto,
enquanto as tubulações e acessórios hidráulicos são os elementos principais na distribuição da
água aquecida no sistema (MATAJ, 2010).
15
2.2 COLETOR SOLAR
O coletor solar consiste no elemento principal do sistema. Para a ABRAVA (2008,
p.36) “o coletor solar é, basicamente, um dispositivo que promove o aquecimento de um
fluído de trabalho, como a água, ar ou fluído térmico, através da conversão da radiação
eletromagnética proveniente do sol em energia térmica”.
Conforme a NBR 15569 (2008, p.8) , “os coletores solares devem possuir sua curva de
eficiência térmica instantânea para a aplicação pretendida de forma a permitir o
dimensionamento da área coletora” .
Para garantir o bom comportamento térmico do Sistema de Aquecimento Solar
(S.A.S) a seleção dos coletores deve considerar a temperatura e aplicação do fluído aquecido.
Além disso, eles devem ser resistentes às condições externas do meio (clima, intempéries,
etc.), e serem eficientes na conversão de energia compatível com o uso (ABRISNTALL;
COMGÁS, 2011).
No mercado existem diversos modelos de coletores solares disponíveis, com
características e desempenhos diferentes que atendem a usos distintos: coletores fechados
planos, abertos planos e de tubos de vácuo (Figura 2).
Figura 2 – Coletores Solares.
Fonte: ABRAVA (2008)
16
2.2.1 Coletores Fechados Planos e Coletores de Tubo a Vácuo
O coletor solar plano é constituído por uma caixa metálica de forma retangular, com
uma cobertura transparente de plástico ou lâmina de vidro, que envolve uma placa absorsora.
A placa consiste em uma chapa metálica (em alumínio ou cobre) com revestimento preto
fosco que absorve a radiação transferindo a energia para o fluído no interior dos tubos unidos
à placa. O coletor solar plano (Figura 3) possui isolamento térmico na parte inferior e nas
laterais, normalmente constituído de poliuretano expandido ou lã de vidro, para reduzir perdas
de calor.
Figura 3 – Corte transversal esquemático de um coletor solar plano
Fonte: Ribeiro (2014)
Os coletores de tubo a vácuo são caracterizados pelo isolamento a vácuo que faz com
que o coeficiente de perdas térmicas seja reduzido em relação ao coletor plano. Quando a
radiação é absorvida, ela aquece a água ou fluído de trabalho, que se encontra dentro de um
tubo de cobre, e então vaporiza e se dirige até a parte superior do tubo, onde se encontra o
condensador. A água fria que circula no sistema, acima do conjunto de tubos absorve o calor
fornecido por estes condensadores (DUARTE, 2012). O esquema de transferência de calor
pode ser observado na Figura 4. Entre a superfície absorvedora da radiação e o meio externo
há um tubo de vidro que proporciona o isolamento a vácuo. O isolamento a vácuo minimiza
as perdas térmicas por convecção e condução. Além disso, segundo Manea (2012), “a troca de
calor por radiação nestes coletores também é minimizada, devido a superfície absorvedora ter
baixa emissividade”. Devido a essas características, são mais empregados em países de climas
mais frios.
17
Figura 4 - Esquema de transferência de calor num coletor solar de tubos de vácuo.
Fonte: Duarte (2012)
Em um estudo comparativo sobre a aplicabilidade de coletores solares com tubo a
vácuo no Brasil, Rosa (2012, p.47) conclui que “os coletores tubulares ocupam uma área
maior que os coletores planos para a mesma área absorvedora” e “o rendimento extra que os
mesmos possuem não justifica a maior área ocupada na maioria das regiões do país”.
Como a diferença de custo para a mesma área absorvedora é maior para um coletor de
tubos, pode-se obter um desempenho equivalente, com o mesmo custo, ao empregar-se um
número maior de coletores planos, em climas moderados (ROSA, 2012, p.48).
Dessa forma, tanto os coletores fechados planos quanto os coletores de tubo a vácuo
são modelos utilizados no aquecimento de água para fins sanitários. Já os coletores abertos
são utilizados apenas no aquecimento de água para piscinas. Esses coletores, são normalmente
de plástico ou borracha, e não possuem vidro, pois trabalham com temperaturas menores.
Pode-se verificar o melhor tipo de coletor para um uso em específico através da
análise das curvas de eficiência, que variam com a temperatura da água, conforme a Figura 5:
18
Figura 5– Curvas de eficiência de coletores em função da temperatura.
Fonte: Mataj (2010)
Observa-se na Figura 5 que o desempenho dos coletores diminui para maiores
temperaturas da água. No início de operação os coletores abertos apresentam um rendimento
próximo a 90%, mas à medida em que aumenta a diferença de temperatura da água, ou seja,
quanto mais calor vai sendo cedido a água, o rendimento diminui, chegando a zero quando a
diferença atinge 60 oC. Já os coletores fechados têm sua curva de eficiência próxima a 80% no
início de operação e seu rendimento é quase zero quando a diferença de temperatura é de
140oC.
Os coletores a vácuo mantem a curva de eficiência constante para diferença de
temperatura de até 50oC e, a partir desse momento, diminuem seu rendimento. Segundo Mataj
(2010), esse comportamento estável dos coletores de tubos de vácuo se justifica, pois não
ocorrem perdas térmicas para o ambiente como ocorre nos outros coletores. A partir do
gráfico observa-se que para o aquecimento de piscinas, o coletor aberto pode ser utilizado,
enquanto no aquecimento para banho sua eficiência é baixa. Para fins sanitários, deve-se
empregar o coletor com tubo de vácuo ou coletor plano com cobertura. Para o aquecimento de
água em processos industriais, o coletor com tubo de vácuo é o indicado pois trabalha com a
maior eficiência.
19
Os coletores fechados planos apresentam eficiência satisfatória para a maioria das
regiões do país, de clima tropical. Apenas para a região sul do país, onde as temperaturas são
baixas no inverno, o emprego do coletor com tubo de vácuo pode ser vantajoso pois trabalha
com maior eficiência em clima frio devido ao seu isolamento térmico.
De acordo com os dados da IEA (International Energy Agency), os coletores com tubo
a vácuo representam a tecnologia mais utilizada de coletores solares no mundo, conforme
Figura 6:
Figura 6 – Distribuição dos coletores por tipo no mundo em 2014.
Fonte: IEA (2016)
O alto percentual dos coletores a vácuo se deve principalmente pela utilização dessa
tecnologia em larga escala na China. Em contrapartida, no Brasil os coletores solares planos
ainda são os mais empregados. Os coletores abertos, destinados ao aquecimento de piscina,
dominam os mercados americano e australiano. O Brasil ocupa a 5a posição, com geração de
energia equivalente a 7.712 GWth, de acordo com a Figura 7:
20
Figura 7 – Capacidade instalada nos 10 maiores mercados de aquecedores solares em 2014.
Fonte: IEA (2016)
2.2.2 Condições de Instalação dos Coletores
Alguns aspectos quanto a orientação e inclinação dos coletores devem ser observados
para o melhor aproveitamento da radiação solar. O item 10.3.2 da NBR 15.569 sugere que a
instalação dos coletores seja feita com direção ao Norte geográfico e desvio máximo de até
30o, para Leste ou Oeste, como mostra a Figura 8:
Figura 8 – Orientação geográfica dos coletores solar
Fonte: NBR 15.569
21
Um desvio para o Leste adianta a captação em uma hora a cada 15o de desvio,
enquanto um desvio para o Oeste atrasa o período de captação na mesma proporção, porém,
há uma melhora do rendimento pois a temperatura ambiente é mais alta à tarde. A captação
diária da radiação solar consequentemente diminui com o aumento do desvio. Ao utilizar
desvios maiores de 30o faz-se necessário um acréscimo do número de coletores para se obter
um desempenho mais próximo do que seria com os coletores favoravelmente orientados ao
Norte, conforme Figura 9 (ABRAVA, 2008).
Figura 9 – Recomendação de orientação dos coletores em relação ao Norte.
Fonte: ABRAVA (2008)
Para a inclinação do coletor, conforme o item 10.3.3 da NBR 15.569, é sugerido que o
ângulo de inclinação seja igual ao da latitude local, acrescido de 10oC, e que não seja inferior
a 15oC, como mostra a Figura 10.
22
Figura 10 – Ângulo de inclinação dos Coletores.
Fonte: NBR 15.569 (2008)
Além disso, são necessários alguns cuidados quanto ao suporte metálico, quando
utilizado, e sombreamento. Deve-se garantir que a estrutura de suporte seja resistente a
corrosão e intempéries, assim como, resista a carga do vento, sem comprometer a estrutura do
local. Também, é importante estar atento quanto a localização dos coletores de forma que seja
evitado o sombreamento que pode ocorrer entre os próprios coletores ou devido a construções
vizinhas, árvores, e outros obstáculos que possam existir. (ABRAVA, 2008).
2.2.3 Associação de Coletores
Os coletores podem ser associados em série, paralelo ou de forma mista, conforme
observado na Figura 11. A forma como os coletores serão associados é importante aspecto a
ser considerado pois está relacionada a eficiência do sistema. “ O arranjo hidráulico ideal deve
oferecer menor perda térmica e assegurar perda de carga reduzida” (MATAJS, 2010).
Figura 11 – Esquema de ligações entre coletores.
Fonte: ABRAVA (2008)
23
Na ligação em série há um único ponto de entrada e saída de água e o aquecimento
ocorre de forma gradual. É obtida uma temperatura maior na saída do sistema devido ao
maior tempo de percurso da água dentro dos coletores. Porém, à medida em que se aumenta o
número de coletores em série o rendimento de cada coletor diminui devido à elevação da
temperatura e redução da troca de calor. Recomenda-se o valor máximo de três associações
em série.
Na ligação em paralelo a temperatura em todos os coletores é a mesma. Esse tipo de
conexão tem menor perda de carga e maior rendimento. Para grandes volumes de água é feita
associação em série e paralelo a fim de otimizar o sistema quanto a vazão e eficiência.
2.3 RESERVATÓRIO TÉRMICO
O reservatório térmico, ou boiler como também é chamado, tem a função de
armazenar a água quente proveniente dos coletores. É dimensionado para garantir a demanda
diária de água quente consumida. Internamente deve ser constituído de materiais que resistam
a altas temperaturas e à corrosão. Normalmente, são utilizados tanques de aço inoxidável,
cobre ou material polimérico, revestidos com isolamento térmico para impedir a troca de calor
entre a água aquecida e o meio externo, conforme a Figura 12. Entre os isolantes
frequentemente empregados estão as mantas de lã de vidro ou de rocha e o poliuretano
expandido. A proteção externa é feita pelo revestimento em alumínio ou aço inox, que tem
boa resistência mecânica.
24
Figura 12 – Reservatório Térmico de Alumínio.
Fonte: Hidrau Center
2.4 CIRCULAÇÃO DE ÁGUA NO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DA
ÁGUA
A circulação da água nos sistemas de aquecimento solar pode ocorrer em duas
configurações diferentes: sistema ativo e sistema passivo.
No sistema ativo há circulação forçada da água, que ocorre a partir da interposição de
uma bomba entre o coletor e o reservatório. É necessário em sistemas de grandes volumes e
também quando há impossibilidade da instalação dos coletores em um plano abaixo do
reservatório. Um exemplo da utilização desse tipo de sistema ocorre em instalações de
aquecimento solar para piscinas.
No sistema passivo, ou de termossifão, a circulação ocorre naturalmente por correntes
de convecção que se formam devido à diferença de temperatura no circuito. Assim, o fluxo de
aquecimento é provocado pela diferença de densidade entre a água fria e quente.
Dessa forma, o sistema de aquecimento por termossifão é mais simples e opera com
menos elementos que o de circulação forçada, pois não necessita de moto bomba para
movimentar a água. Conforme Mataj (2010), em instalações unifamiliares o uso de
termossifão é recomendado e funciona perfeitamente, porém, é necessário garantir os
desníveis que favorecem essa circulação.
25
Assim, para que ocorra a circulação natural deve-se ter alguns cuidados em relação ao
posicionamento e a diferença de níveis dos componentes. É necessário que o reservatório
térmico seja instalado em nível inferior ao reservatório de água fria, e que o coletor solar
esteja em nível inferior ao boiler para garantir o funcionamento por termossifão. Indica-se um
desnível de, no mínimo, 15 cm entre o reservatório e o boiler para garantir a pressurização do
sistema, enquanto a diferença de nível entre o topo dos coletores e a base do reservatório
térmico deve ser de, no mínimo, 20 cm e no máximo 4,0m. A distância horizontal entre boiler
e coletores deve permitir uma inclinação mínima da tubulação de 10% para evitar a formação
de sifões e bolhas de ar. (ABRAVA, 2008). A Figura 13 ilustra as distâncias recomendadas:
Figura 13 – Instalação em termossifão.
Fonte: ABRAVA (2008)
sendo:
Hs: Altura do suspiro em relação à tampa de água fria
Hrr: Altura entre o fundo da caixa de água fria e reservatório térmico
Hcr: Altura entre o fundo do reservatório térmico e o topo dos coletores
Dcr: Distância entre o centro do reservatório térmico e o topo dos coletores
26
2.5 FONTE AUXILIAR DE ENERGIA
De acordo com Lima (2003), os sistemas de aquecimento solar da água não são
dimensionados para atender 100% da demanda de água quente, caso fossem, o
dimensionamento das placas e do reservatório deveria ser feito para a pior situação possível e
o projeto resultaria em um superdimensionamento para a maior parte do tempo de utilização.
Para garantir o abastecimento de água quente em dias de baixa insolação solar, os sistemas de
aquecimento solar necessitam de uma fonte auxiliar de energia.
Conforme Lima (2003), o aquecimento auxiliar pode ser localizado internamente ou
externamente ao reservatório. Quando externa pode ser de acumulação ou de passagem sendo
o de passagem mais usual.
A interligação entre sistema solar e a fonte auxiliar pode variar de lugar para lugar
devido as características encontradas em cada edificação, perfil de consumo, necessidade de
conforto, entre outras variáveis.
A Figura 14 ilustra as formas mais comuns de disposição da fonte auxiliar de energia.
Em (a), um aquecedor interno, normalmente uma resistência elétrica dentro do reservatório
térmico. Em (b), uma ligação em série, com o aquecedor na linha de consumo. Em (c) o
aquecedor opera em paralelo ao reservatório térmico
Figura 14 - Configurações utilizadas para sistema auxiliar de aquecimento.
Fonte: MANEA (2012)
Geralmente em sistemas de pequeno porte utiliza-se uma resistência elétrica dentro do
boiler, que consiste em uma configuração simples e com baixos custos.
De acordo com Pozzebon (2009), a utilização de uma fonte elétrica é mais comum
devido sua facilidade de aquisição e custo, porém estudos revelam que a combinação de
energia solar e gás pode ser a mais eficiente para a maioria das aplicações.
27
2.5.1 Aquecedores a gás
Os aquecedores a gás podem ser divididos em aquecedores de acumulação e de
passagem (ou instantâneos).
Nos aquecedores de água por acumulação, como o próprio nome sugere, a água é
aquecida diretamente no reservatório e armazenada, podendo seu consumo ser de imediato ou
posterior. O aquecimento é controlado através de um termostato que pode ser regulado
conforme as necessidades do usuário (COMGÁS; ABRINSTAL,2011).
Nos aquecedores de passagem a água é aquecida apenas quando seu uso é solicitado.
São equipamentos compactos que tem como vantagem a facilidade de instalação e a
necessidade de pouco espaço. Os aquecedores de passagem possuem um queimador interno o
qual é acionado a partir do fluxo da água provocando o aquecimento da água que circula
dentro do aparelho em um sistema de serpentina (Figura 15). Além disso, são constituídos de
um sistema de controle de fluxo e segurança e um sistema de exaustão dos gases queimados
para o meio externo. Para que o aquecedor funcione de forma eficiente, os dispositivos de
controle de acionamento e bloqueio de água e gás trabalham a partir de uma pressão mínima
(5 a 20 mca), o que demanda pressurização em casos onde há baixa pressão de água
(CHAGURI, 2009).
Figura 15 – Esquema de funcionamento de um aquecedor de passagem.
Fonte: Chaguri (2009)
28
A instalação dos aquecedores de passagem a gás deve estar em conformidade com as
exigências da NBR 13103/2013. A norma estabelece que o aquecedor deve ser instalado em
ambiente ventilado, possuir chaminé para exaustão entre outras providências que devem ser
observadas: em ambientes fechados devem possuir grelha de ventilação nas portas voltadas
para cozinha ou área de serviço e outra acima das janelas.
2.6 DIMENSIONAMENTO DE UM S.A.S
Conforme a NBR 15.569 (2008, p.28), o dimensionamento do sistema de aquecimento
solar pode ser feito a partir das seguintes etapas:
a) Determinação do Volume de Consumo para os vários pontos de utilização:
Para determinar o volume de água consumido, deve-se verificar a vazão das peças de
utilização, o tempo de utilização para cada e a frequência de uso diária. Os valores de
referência podem ser encontrados no anexo A da referida norma técnica. É muito importante
que essas informações sejam apuradas corretamente para que o sistema seja bem
dimensionado, de forma a atender a demanda diária de consumo e evitar o problema de um
superdimensionamento.
Calcula-se o volume de consumo pela equação 1 (NBR 15569, 2008, p.28):
VConsumo = Σ(Qpu ⋅ T ⋅ 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑜) (1)
sendo:
VConsumo = Volume total de água quente consumido diariamente expresso em metros cúbicos
(m3);
Qpu = Vazão da peça de utilização expressa em metros cúbicos por segundo (m3/s);
Tu = Tempo médio de uso diário da peça de utilização expresso em segundos (s);
Frequência de uso é o número total de utilizações da peça por dia.
b) Cálculo do Volume de Armazenamento:
29
A partir do volume de água quente consumido, considerando-se os fatores de temperatura
de armazenamento, consumo e ambiente, determina-se o volume do reservatório através da
equação 2:
Varmaz. =Vconsumo ⋅ (Tconsumo − Tambiente)
(Tarmaz − Tambiente) (2)
sendo:
Vconsumo = volume de consumo diário, expresso em metros cúbicos (m3)
Varmaz = volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos (m3)
(sugere-se que Varmaz ≥ 75%Vconsumo);
Tconsumo = temperatura de consumo de utilização, expressa em graus Celsius (oC) (sugere-se
que seja adotado 40oC)
Tambiente = temperatura ambiente média anual do local de instalação (ver anexo B).
c) Cálculo da demanda de energia útil:
A demanda de energia útil representa a energia necessária para o aquecimento de
determinado volume de água, e é dada pela equação 3:
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 =𝑉𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧 ⋅ 𝜌 ⋅ 𝐶𝜌 ⋅ (𝑇𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)
3600 (3)
sendo:
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = energia útil, expressa em quilowatts hora por dia (kWh/dia);
Varmaz = volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos (m3)
(sugere-se que Varmaz ≥ 75%Vconsumo);
𝜌 = massa específica da água igual a 1000, expressa em quilogramas por metro cúbicos
(kg/m3)
𝐶𝜌 = calor específico da água igual a 4,18, expresso em quilojoules por quilograma Kelvin
(Kj/kg);
Tarmaz = temperatura de armazenamento da água, expressa em grau Celsius (oC) (sugere-se
que Tarmaz≥Tconsumo)
30
Tambiente = temperatura ambiente média anual do local de instalação.
d) Cálculo da área coletora
O cálculo da área coletora tem por objetivo determinar o número de coletores que deve ser
empregado para fornecer a energia necessária ao aquecimento do volume de água demandado.
A área coletora é dada pela equação 4:
𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑎 =(𝐸ú𝑡𝑖𝑙 + 𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠) ⋅ 𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 ⋅ 4,901
𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 ⋅ 𝐼𝐺 (4)
sendo:
𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑎 = área coletora, expressa em metros quadrados (m2)
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = energia útil, em quilowatts hora por dia (kWh/dia);
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = somatório das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário, expresso em
quilowatts hora por dia (kWh/dia); calculada pela soma das perdas ou pela equação:
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 0,15𝐸ú𝑡𝑖𝑙
𝐼𝐺 = valor da irradiação global média anual para o local de instalação, expresso em quilowatts
hora por metro quadrado dia (kWh/m2.dia) (conforme anexo C).
𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 = produção média diária de energia específica do coletor solar, expressa em
quilowatts hora por metro quadrado (kWh/m2), calculada através da equação 5:
𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 = 4,901 ⋅ (𝐹𝑟𝑇𝛼− 0,0249 ⋅ 𝐹𝑟𝑈𝐿) (5)
sendo:
𝐹𝑟𝑈𝐿 = coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional);
𝐹𝑟𝑇𝛼 = coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional).
𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 = fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar dado pela eq. 6:
𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 =1
1 − [1,2 ⋅ 10−4 ⋅ (𝛽 − 𝛽ó𝑡𝑖𝑚𝑜)2 + 3,5 ⋅ 10−3 ⋅ ɣ2] (6)
31
(para 15o< 𝛽 < 90o)
sendo:
𝛽 = inclinação do coletor em relação ao plano horizontal, expressa em graus (o)
𝛽𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑒𝑛𝑑𝑎𝑑𝑜 = inclinação ótima do coletor para o local de instalação, expressa em graus (o)
( sugere-se que seja adotado o valor de módulo da latitude local +10o);
ɣ = ângulo de orientação dos coletores solares em relação ao norte geográfico, expresso em
graus (o).
2.7 FRAÇÃO SOLAR
Segundo MATAJ, (2010) “A fração solar de um sistema de aquecimento solar
descreve a fração de energia consumida para o aquecimento da água que foi fornecida pelo
sistema solar ao longo do ano”. Dessa forma, a fração solar representa a economia esperada
com a implementação do sistema, e sua consideração é de fundamental importância no
cálculo de viabilidade econômica.
Conforme Luchini (2007, apud Magagnin 2010) a fração solar varia em função das
condições climáticas locais, da temperatura de armazenamento desejada, dos parâmetros de
projeto, do coletor selecionado e da demanda específica de energia. MATAJ (2010) afirma
que “uma solução prática é adotar um valor de fração solar que, além de atender as
especificações técnicas da Norma 15.569, proporcione o retorno do investimento ao cliente”.
Para Rodrigues (2010 apud Coelho, 2011) a fração solar ideal deve ficar entre 60 e
80%. Por outro lado, Aita (2006 apud Manea, 2012) recomenda que o valor esteja na faixa de
50 a 80%. Não há consenso quanto a um valor fixo para este fator, em cada caso o valor é
diferente, e depende de inúmeros fatores (MANEA, 2012). Como exemplo, a NBR 15569
(2008) adota para dimensionamento de cálculos o valor de 70% para fração solar.
2.8 ANÁLISE DO INVESTIMENTO
Existem diversos custos envolvidos com a aquisição e implementação de um sistema
de aquecimento solar. É de fundamental importância avaliar os efeitos econômicos resultantes
desse investimento a fim de verificar sua viabilidade. Para isso, faz-se a análise do
investimento, que, conforme Kuhnen e Bauer (1996), consiste em “um conjunto de técnicas
32
que permitem a comparação entre os resultados de tomada de decisões referentes a
alternativas diferentes de uma maneira científica”.
Segundo Macedo (2014, p.56), “Os métodos mais utilizados, com base no fluxo de
caixa dos projetos, são: Período de Payback simples, Período de Payback descontado, Taxa
Interna de Retorno (TIR) e Valor Presente Líquido (VPL) ”.
2.8.1 Valor Presente Líquido
Conforme Souza e Clemente (2009), o valor presente líquido é a concentração de
todos os valores esperados de um fluxo de caixa na data zero. Calcula-se o valor presente de
uma série de pagamentos e recebimentos a uma taxa conhecida. Essa taxa é denominada taxa
mínima de atratividade (TMA) e refere-se ao retorno mínimo que deve ser obtido por um
projeto. (Ferreira, ca.2015).
Gitman (1992), afirma que os ganhos de um projeto podem ser representados tanto
por entradas de caixa, quanto por economia obtida em função da implantação, por isso vale
avaliar o custo benefício do projeto de investimento.
O cálculo do VPL é dado pela equação 7:
𝑉𝑃𝐿(𝑖) = ∑𝐹𝐶𝑡
(1 + 𝑖)𝑡 (7)
𝑛
𝑡=0
sendo:
t = período (anos ou meses);
n = tempo total projeto (anos ou meses);
i = taxa mínima de atratividade (TMA);
FC(t) = fluxo caixa por período
Um VPL positivo indica um projeto com lucro. Um VPL negativo significa que o
retorno do projeto será menor que o investimento inicial, indicando prejuízo. Já um VPL igual
a zero significa que o projeto se paga, sem lucro, nem prejuízo.
33
2.8.2 Taxa Interna de Retorno
A taxa interna de retorno é a taxa que iguala o VPL a zero. A TIR é obtida
internamente no projeto a partir dos fluxos de caixa esperados. Quando a TIR é maior que a
TMA, o projeto é viável.
2.8.3 Payback
Gitman (2002) define o Payback como o período de tempo necessário para recuperar o
capital investido. Conforme Ferreira [ca.2015], “podemos acumular os fluxos de caixa a fim
de encontrar o período em que o investimento é recuperado”. Considera-se que o projeto é
viável quando o prazo para recuperar o capital investido for menor que o prazo desejado, com
o qual se trabalha.
Há duas abordagens desse método:
Payback Simples: nesse modelo considera-se o valor que foi investido sem considerar
o valor do dinheiro no tempo.
Payback descontado: Utiliza uma taxa de desconto, em geral a TMA, antes de se
efetuar a soma dos fluxos de caixa. Os fluxos de caixa são descontados por essa taxa
em relação ao período referente. Dessa forma, considera o valor do dinheiro no tempo.
34
3 METODOLOGIA
3.1 ÁREA DE ESTUDO
O objeto de estudo deste trabalho é uma moradia unifamiliar, pertencente ao
município de Lagoa Vermelha, norte do estado do Rio Grande do Sul. Através das figuras 16
e 17, pode-se observar a localização de Lagoa Vermelha no estado e da residência no
município:
Figura 16 – Localização de Lagoa Vermelha no Rio Grande do Sul.
Fonte: Google Maps (2017).
35
Figura 17 – Vista de Localização da residência no município de Lagoa Vermelha.
Fonte: Google Maps (2017).
A cidade está localizada a -28o de latitude e -51o de longitude e, conforme os dados
climáticos (Quadro 1), apresenta uma média anual de temperatura de 18,7 oC. Entretanto, no
inverno, as baixas temperaturas são características na região e a mínima pode chegar próximo
a zero ou mesmo atingir temperaturas negativas.
Quadro 1 – Temperatura média mensal em Lagoa Vermelha.
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
ToC 22,6 22,2 21,3 18,7 15,2 13,8 13,3 15,3 16,5 18,8 20,4 22,1
Fonte: Adaptado de Retscreen International (2016).
3.2 CONCEPÇÃO DO PROJETO S.A.S.
Com a finalidade de identificar os equipamentos que fazem uso da água quente e fazer
o levantamento de dados para a elaboração do projeto, foram realizadas visitas técnicas à
residência.
A moradia já conta com um sistema de aquecimento de água constituído por um
aquecedor de passagem que utiliza GLP, da marca Rinnai, apresenta rendimento de 84,3% e
capacidade de vazão de 35 l/min (Figura 18). O sistema atende à demanda de água quente
para uma família de quatro pessoas e abastece dois lavatórios e um chuveiro.
36
De acordo com as recomendações de instalação, o aquecedor está conectado por
chaminé de exaustão em ambiente com ventilação permanente através de báscula superior,
abertura inferior e com a possibilidade da contribuição da ventilação da janela.
Figura 18 - Aquecedor de passagem instalado.
Fonte: Autora (2017).
Na saída de água quente do aquecedor inicia a distribuição de água quente até os
pontos de consumo – sobe até a cobertura e deriva em prumadas alimentando os pontos de
consumo. A temperatura de consumo é regulada a partir de misturadores nos pontos de
utilização, que agregam água fria para obter a temperatura desejada. Na entrada do aquecedor
de passagem, há uma bomba que fornece a pressão necessária para o seu funcionamento
(Figura 19).
37
Figura 19 – Bomba pressurizadora.
Fonte: Autora (2017).
Para conhecer o consumo de água quente, verificou-se a capacidade de vazão indicada
no próprio chuveiro e as informações quanto ao tempo de uso e frequência foram fornecidas
pelos proprietários. Para os lavatórios utilizou-se os parâmetros da NBR 15.569/2008,
conforme anexo A.
Nessa etapa, também se observou as condições estruturais e de espaço, para
determinar aspectos de posicionamento e disposição dos componentes do sistema.
3.3. DIMENSIONAMENTO
Obtidos os dados necessários, foram definidas a configuração do sistema a ser
instalado e suas características para atender a demanda. O dimensionamento foi realizado
conforme as equações 1 a 5, descritas no capítulo 2, item 2.7.
3.4 ANÁLISE ECONÔMICA
Após o dimensionamento, estimou-se as despesas de investimento para a análise
econômica. Com base nos preços praticados na região, foram levantados os custos de mão-de-
obra da instalação do S.A.S, custo das placas coletoras, reservatório térmico, conexões
hidráulicas, frete, em loja de Sananduva, e o preço do G.L.P em Lagoa Vermelha.
38
Para a verificação da viabilidade econômica do projeto foi utilizado o modelo de
Payback, TIR (Taxa de retorno do Investimento) e VPL (Valor presente líquido), descritos no
item 2.9 do capítulo 2. A análise foi feita para o tempo de durabilidade dos coletores,
garantido pelo fabricante. Foi considerada uma taxa mínima de atratividade equivalente à
rentabilidade de uma aplicação na poupança baseada na sua variação durante os últimos 12
meses.
Para o estudo da viabilidade foi definida uma fração solar igual a 70%, mesmo valor
adotado na NBR 15569 (2008). Ou seja, considerou-se que após a instalação dos coletores, o
consumo de gás como fonte auxiliar de energia será responsável por 30% do fornecimento,
havendo uma redução de 70% no consumo de gás.
Para o cálculo do valor mensal gasto com gás com e sem o sistema de aquecimento
solar, foi necessário determinar o preço do GLP por kg. Para tanto, pesquisou-se o preço do
GLP nas revendas de Lagoa Vermelha, de um botijão P-45, que tem 45kg de gás liquido, e
esse valor foi dividido pelo seu peso, obtendo-se o valor unitário.
Ainda, a equivalência energética de 1kg de GLP, conforme a COMGÁS (2014), é de
12,9kWh. Com esses dados, foi possível determinar quantos quilos de GLP devem fornecer a
energia mensal demandada para o aquecimento da água. Além disso, um importante detalhe a
considerar é o rendimento do aquecedor de passagem, já que parte da energia produzida é
dissipada. O rendimento foi verificado no próprio equipamento.
39
4 RESULTADOS
4.1 CONFIGURAÇÃO PROPOSTA PARA O S.A.S.
O sistema proposto funciona por termossifão pois a estrutura da cobertura apresenta as
características para suportar as cargas adicionais e espaço suficiente para atender as
dimensões mínimas necessárias entre os componentes, permitindo a circulação natural. As
Figuras 20 a 22 apresentam um esquema da instalação proposta para a edificação.
O tipo de coletor solar escolhido para o dimensionamento foi o modelo de placas
planas, devido à ampla oferta no país e tecnologia consolidada, com variedade de marcas
certificadas pelo INMETRO.
Foi considerada a ligação paralela entre os coletores, que é a mais apropriada para a
instalação em residências unifamiliares, pois permite um maior rendimento e menor perda de
carga no sistema.
Os coletores solares foram orientados com um desvio em relação ao Norte de 23o para
Leste e inclinação com referência ao plano horizontal de 28o. Posicionou-se o reservatório
térmico apoiado em suporte sobre a laje da residência, em nível abaixo do reservatório de
água fria e acima do plano dos coletores, respeitando distancias mínimas e máximas para a
recirculação natural da água, conforme apresentado na Figura 21.
Além disso, um dispositivo necessário na instalação é a válvula anti-congelamento.
Nas localidades com incidência de geadas e onde as temperaturas chegam abaixo de 5o C no
inverno, como ocorre em Lagoa Vermelha, é aconselhado que os coletores planos sejam
usados em conjunto a válvula anti-congelamento, pois esta evita o congelamento da água que
fica presa na serpentina das placas danificando de forma irreversível os coletores.
Na instalação de água fria existente, algumas modificações devem ser feitas. O
reservatório de água fria deve ser elevado, para que fique em um plano acima do boiler, e a
tubulação existente que conduz água fria do reservatório ao aquecedor deve ser substituída
por um material condutor de água quente, uma vez que o aquecedor será abastecido pela água
que provém do reservatório térmico. Já, a instalação de água quente, do aquecedor aos pontos
de consumo, dispensa modificações.
40
Figura 20 - Vista Frontal SAS
Fonte: Autora (2017)
Figura 21 - Vista em Corte SAS
Fonte: autora (2017)
41
Figura 22 - Vista Isométrica SAS
Fonte: Autora (2017)
No sistema proposto, a fonte auxiliar de energia, fornecida pelo aquecedor de
passagem, se encontra na linha de consumo e tem a função de complementar a energia
necessária para que a água atinja a temperatura desejada. No circuito, entre a água que
provém dos coletores e o aquecedor de passagem há uma válvula desviadora termostática.
Esse dispositivo, instalado antes do aquecedor de passagem, tem a função de desviar o fluxo
da água diretamente para a tubulação que faz a distribuição para os pontos de consumo, caso a
temperatura da água vinda dos coletores já tenha atingido a temperatura desejada. A válvula
desviadora termostática escolhida, de acordo com informações do fabricante, quando
calibrada a 45 o C, desvia o fluído diretamente para o ponto de consumo se a temperatura for
superior a 45o C, ou para valores abaixo de 45 o C desvia o fluído para o aquecedor a fim de
elevar a temperatura. Pode-se variar a temperatura para desvio em 4,5 o C. A Figura 23
demonstra a ligação por meio da válvula, entre a tubulação de água quente e o aquecedor:
42
Figura 23 - Esquema representativo da ligação com válvula desviadora termostática.
Fonte: Autora (2017)
4.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR
Conforme descrito no capítulo 2, item 2.7, para o dimensionamento do sistema de
aquecimento de água com energia solar foram determinados a área de painel coletor solar, e
volume de armazenamento, conforme apresentado a seguir.
4.2.1 Volume Diário de Água Quente Consumida
Para determinar o volume diário de água quente consumida, foram considerados dois
lavatórios e um chuveiro, com as características de consumo apresentadas no Quadro 2. Para
os lavatórios utilizou-se os parâmetros de frequência e vazão da NBR 15.569/2008, conforme
anexo A, enquanto para o chuveiro, observou-se a vazão indicada no próprio equipamento e a
frequência de utilização foi fornecida pelos proprietários.
43
Quadro 2 – Consumo diário de água quente.
Peça Vazão
(l/min)
Tempo
(min)
Frequência
(uso/dia)
Usuários Consumo
(l/dia)
Chuveiro 10 10 1 4 400
Lavatório 4,8 2 2 4 76,8
Fonte: Autora (2017)
Com isso, a partir do somatório dos consumos estimou-se um valor diário total
consumido de 476,8 L/dia.
4.4.2 Cálculo do Volume de Armazenamento:
O volume de armazenamento equivale ao volume do reservatório térmico (boiler) que
deve ser instalado, baseado no valor diário de consumo de água quente. A capacidade do
reservatório deve ser no mínimo 75% do volume consumido:
Varmaz.mín = 0,75Vc = 0,75.476,8 = 357,6L
Logo, o boiler deverá ter um volume maior ou igual a 357,6 L.
Para a temperatura de armazenamento adotou-se 50oC. A temperatura ambiente na
cidade de Lagoa Vermelha considerada para o cálculo, retirada do anexo B é 19 oC. A
temperatura de consumo da água é de 43 oC.
Varmaz. =Vconsumo ⋅ (Tconsumo − Tambiente)
(Tarmaz − Tambiente)
Varmaz. =476,8L ⋅ (43 − 19)
(50 − 19)= 369 𝐿
Dessa forma, será utilizado um reservatório térmico de 400L, pois entre os volumes de
reservatório comercializados, é a capacidade que melhor atende à demanda calculada.
4.2.3 Cálculo da Área Coletora
O cálculo da área coletora define o número de coletores que devem ser empregados
para fornecer a energia necessária ao sistema de aquecimento solar. Devem ser considerados
44
alguns fatores como a temperatura ambiente e de armazenamento, irradiação média, produção
média de energia, entre outros.
Demanda de Energia Útil:
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 =𝑉𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧 ⋅ 𝜌 ⋅ 𝐶𝜌 ⋅ (𝑇𝑎𝑟𝑚𝑎𝑧 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)
3600
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 =400 ⋅ 1000 ⋅ 4,18 ⋅ (50 − 19)
3600
𝐸ú𝑡𝑖𝑙 = 14,398 kw h/dia
Perdas:
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 0,15𝐸ú𝑡𝑖𝑙
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 0,15.14,39𝑘𝑤ℎ/𝑑𝑖𝑎
𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 2,1585 kwh/dia
Para o cálculo da área coletora deve-se determinar a produção média diária de energia
específica do coletor solar (PMDEE), que leva em consideração o coeficiente de perdas e de
ganhos de energia do coletor solar. Dessa forma, primeiramente é necessário definir o modelo
do coletor solar e consultar suas variáveis, que são classificadas pelo INMETRO. O modelo
escolhido é o MC 15 Evolution da Bosch Termotecnologia, faixa A na classificação do
INMETRO do ano de 2016. As propriedades do coletor são Fr(ατ)n com 0,71 e FrUl
apresentando 5,92.
Fator de Correção:
𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 = 4,901 ⋅ (0,71 − 0,0249 ⋅ 5,92) = 2,76 kW/𝑚2.dia
𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 =1
1 − [1,2 ⋅ 10−4 ⋅ (𝛽 − 𝛽ó𝑡𝑖𝑚𝑜)2 + 3,5 ⋅ 10−5 ⋅ ɣ2]
𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 =1
1 − [1,2 ⋅ 10−4 ⋅ (28 − 38)2 + 3,5 ⋅ 10−5 ⋅ 232]= 1,031
45
Área Coletora:
𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑎 =(𝐸ú𝑡𝑖𝑙 + 𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠) ⋅ 𝐹𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙 ⋅ 4,901
𝑃𝑀𝐷𝐸𝐸 ⋅ 𝐼𝐺
𝐴𝑐𝑜𝑙𝑒𝑡𝑜𝑟𝑎 =(14,4 + 2,1) ⋅ 1,031 ⋅ 4,901
2,76 ⋅ 4,90= 6,16𝑚2
Segundo o fabricante, cada placa possui uma área de 1,5 metros quadrados, logo, serão
necessárias 4 placas para atender a demanda.
4.3 INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS COMPLEMENTARES
A disposição das tubulações que foram utilizadas no sistema de aquecimento solar
pode ser observada no esquema da Figura 24. Constituem o circuito primário, a tubulação
entre o reservatório de água fria que alimenta o boiler e as tubulações que fazem a
recirculação da água entre o boiler e os coletores. A tubulação responsável pela condução da
água quente do boiler ao aquecedor de passagem faz parte do circuito secundário.
46
Figura 24 – Esquema de instalações hidráulicas complementares.
Fonte: Autora (2017).
O comprimento total das tubulações é de 18,5m, apresentando 4 curvas de 45° na
interligação entre boiler e coletores, 7 joelhos entre reservatório de água fria e boiler, 5
joelhos e um tê no circuito secundário, entre o boiler e aquecedor de passagem.
Os tubos e conexões hidráulicos dessas tubulações devem resistir às altas temperaturas
do fluído e pressão. O cobre, o CPVC, o PPR são alguns dos materiais oferecidos no mercado.
O cobre foi escolhido para essa instalação pois, apesar do preço um pouco mais alto,
apresenta a melhor condutividade térmica entre os materiais, boa resistência e suporta
temperaturas de até 220°C.
As tubulações utilizadas nas interligações entre reservatório e coletores são de cobre
com 22mm de diâmetro, compatível com as conexões dos coletores. Para o restante da
tubulação utilizou-se mesmo material e diâmetro de 28mm, compatível com a bitola de
entrada da bomba que fornece energia para o aquecedor.
Foram previstos também, alguns cuidados práticos como um mecanismo de alívio de
pressão, através de um respiro, para que o boiler não sofra deformações como dilatação
47
devido ao excesso de pressão ou deformação devido ao vácuo. O respiro é constituído por um
tubo de cobre e diâmetro de 22mm, instalado no ponto mais elevado do ramal de distribuição
de água quente. Além disso, tanto a entrada quanto a saída do reservatório térmico possuem
registro de gaveta para eventuais manutenções na instalação.
4.4 ANÁLISE ECONÔMICA
Inicialmente, foram orçados os custos com a aquisição do sistema de acordo com o
praticado no mercado da região, apresentados no Quadro 3. Além dos materiais para
instalação do aquecimento solar, foi considerada a substituição dos dutos flexíveis do
aquecedor:
Quadro 3 – Despesas totais de instalação do sistema SAS.
Item Valor
Reservatório 400 l b.p. 2.048,00
Coletores (4 placas) 2.540,00
Válvula anti-congelamento 420,00
Válvula desviadora 720,00
Kit flexível aquecedor 140,00
Mat. hidráulicos (tubos, conexões,
registros), instalação, frete
3.570,00
TOTAL 9.438,00
Fonte: Autora (2017).
Para avaliar o gasto com gás, quantificou-se o mesmo sem o aquecimento solar para o
período de um ano e utilizou-se a fração solar de 70% para determinar o consumo de gás após
a instalação do sistema, que foi a única fonte complementar de energia para o sistema
desenvolvido (Quadro 4).
48
Quadro 4 – Despesas com gás
Consumo de Gás - Sem SAS
Consumo mensal de energia para aquecimento de água 495 kWh/mês
Rendimento do Aquecedor 84,3%
Demanda mensal gás (1kgGLP = 12,9 kWh) 45,52 kg/mês
Preço médio do gás – valor unitário 4,90 R$/kg
Valor de consumo mensal R$ 223,00
Valor de consumo anual R$ 2.676,00
Consumo de Gás – Com SAS
Valor de consumo mensal R$ 66,90
Valor de consumo anual R$ 802,80
Fonte: Autora (2017).
De acordo com as análises, a instalação do sistema de aquecimento solar gera uma
economia de R$ 156,10 ao mês, totalizando um valor de R$ 1.873,20 ao ano.
A partir dos dados, foi feita a análise de viabilidade econômica. A TMA considerada
foi de 8,33% a.a., equivalente à taxa de variação de uma aplicação na poupança nos últimos
12 meses. O período considerado para os cálculos foi de 20 anos, pois corresponde ao tempo
de durabilidade dos coletores, garantido pelo fabricante.
A análise foi realizada com apoio de uma planilha eletrônica no Software Excel. O
Quadro 5 mostra o resultado do saldo final de investimento com seu custo inicial e o
abatimento do valor ano a ano devido à economia de gás.
49
Quadro 5 – Valores obtidos de fluxo de caixa.
Fonte: Autora (2017)
O período “0” representa o momento de instalação do sistema e está relacionado ao
valor de investimento inicial, portanto, tem o fluxo de caixa negativo.
As colunas de fluxo de caixa e fluxo de caixa acumulado correspondem
respectivamente ao valor da economia decorrente da redução do consumo de gás para cada
ano e ao valor do investimento inicial subtraído do valor da economia.
A coluna de fluxo de caixa descontado apresenta os valores do fluxo de caixa
descapitalizados no tempo pela taxa de 8,33% a.a. A última coluna representa o abatimento do
investimento ano a ano, considerando o valor descapitalizado do fluxo de caixa.
Como resultado, o projeto além de reembolsar o valor investido, gerou um saldo final,
cujo valor presente líquido é R$ 8.510,35.
Período Ano Fluxo de Caixa
Fluxo de
Caixa
Acumulado
Fluxo de
Caixa
Descontado
Fluxo Caixa
Descontado
Acumulado
0 2017 9.438,00-R$ 9.438,00-R$ 9.438,00-R$ 9.438,00-R$
1 2018 1.873,20R$ 7.564,80-R$ R$ 1.729,16 7.708,84-R$
2 2019 1.873,20R$ 5.691,60-R$ R$ 1.596,20 6.112,64-R$
3 2020 1.873,20R$ 3.818,40-R$ R$ 1.473,46 4.639,18-R$
4 2021 1.873,20R$ 1.945,20-R$ R$ 1.360,16 3.279,03-R$
5 2022 1.873,20R$ 72,00-R$ R$ 1.255,57 2.023,46-R$
6 2023 1.873,20R$ 1.801,20R$ R$ 1.159,02 864,43-R$
7 2024 1.873,20R$ 3.674,40R$ R$ 1.069,90 205,46R$
8 2025 1.873,20R$ 5.547,60R$ R$ 987,63 1.193,09R$
9 2026 1.873,20R$ 7.420,80R$ R$ 911,69 2.104,78R$
10 2027 1.873,20R$ 9.294,00R$ R$ 841,58 2.946,36R$
11 2028 1.873,20R$ 11.167,20R$ R$ 776,87 3.723,23R$
12 2029 1.873,20R$ 13.040,40R$ R$ 717,13 4.440,36R$
13 2030 1.873,20R$ 14.913,60R$ R$ 661,99 5.102,35R$
14 2031 1.873,20R$ 16.786,80R$ R$ 611,09 5.713,44R$
15 2032 1.873,20R$ 18.660,00R$ R$ 564,10 6.277,53R$
16 2033 1.873,20R$ 20.533,20R$ R$ 520,72 6.798,25R$
17 2034 1.873,20R$ 22.406,40R$ R$ 480,68 7.278,93R$
18 2035 1.873,20R$ 24.279,60R$ R$ 443,72 7.722,65R$
19 2036 1.873,20R$ 26.152,80R$ R$ 409,60 8.132,25R$
20 2037 1.873,20R$ 28.026,00R$ R$ 378,10 8.510,35R$
50
Para o retorno de investimento, considerando apenas os custos totais e a economia, o
prazo é de cinco anos e três meses. Porém, o payback simples não prevê a correção do valor
do dinheiro no tempo. Analisando o Quadro 5, observa-se que o saldo correspondente ao
valor de fluxo de caixa descontado acumulado torna-se positivo durante o sétimo ano. Assim
sendo, foi verificado que o payback descontado ocorre dentro do décimo mês do sétimo ano.
Ainda, definido o VPL de cada ano, se confirmou a viabilidade do sistema a partir do
cálculo da TIR – Taxa Interna de Retorno, cujo valor encontrado foi de 19,26%, que é maior
que a taxa mínima de atratividade de 8,33%.
51
5 CONCLUSÃO
Este trabalho teve como objetivo realizar uma análise da viabilidade técnica e
econômica da agregação de coletores solares ao aquecimento de água em uma residência
unifamiliar. Por meio de revisão bibliográfica, compreendeu-se melhor os sistemas de
aquecimento solar, assim como, os parâmetros envolvidos na análise da viabilidade
econômica com base nos fluxos de caixa do projeto.
A partir dos resultados obtidos verificou-se que o investimento para implantação do
sistema seria de R$ 9.438,00, o tempo de retorno de investimento de 7 anos e dez meses, com
taxa interna de retorno maior que a taxa mínima atrativa e valor presente líquido de R$
8.510,35.
Com isso, conclui-se que, embora represente um alto investimento inicial, a análise
econômica comprova que a implementação do sistema de aquecimento solar é viável e gera
economia ao longo do tempo, sendo mais vantajosa a instalação do sistema do que o
investimento em uma aplicação na poupança. Vale ressaltar que a utilização de um sistema de
aquecimento solar não é apenas conveniente no aspecto econômico, mas constitui uma
solução ambientalmente sustentável e a larga incorporação dessa tecnologia no país contribui
para reduzir a dependência de energia elétrica e de recursos não-renováveis.
52
6 LIMITAÇÕES
Este trabalho limitou-se em uma única configuração de projeto baseado em uma
alternativa encontrada que se mostrou interessante para a situação estudada e não se objetivou
fazer comparações com outras possibilidades de configurações.
Para fins de análise econômica, o levantamento de despesas com GLP baseou-se no
valor atual do gás, uma vez que a previsão de sua variação depende de diversos parâmetros
como impostos incidentes, região geográfica, estratégias adotadas por empresas fornecedoras,
entre outros. Ainda, o custo de manutenção do sistema também não foi incluído por ser uma
despesa mínima, dependendo apenas da limpeza da superfície das placas solares uma vez ao
ano.
O dimensionamento do sistema de aquecimento solar é válido somente para a situação
estudada, não podendo ser generalizado para outras características de consumo ou outras
regiões do país com condições climáticas diferentes, já que essas são variáveis que influem no
resultado do dimensionamento.
53
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ANEXO A – VALORES SUGERIDOS PARA O CONSUMO DIÁRIO DE ÁGUA
QUENTE
Fonte: NBR 15569/2008
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ANEXO B – TEMPERATURA MÉDIA ANUAL NAS REGIÕES BRASILEIRAS
Fonte : ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2006
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ANEXO C – RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL DIÁRIA EM MÉDIA ANUAL NAS
REGIÕES BRASILEIRAS
FONTE: ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2006.
