projeto de equipamento multifuncional de baixo custo

PROJETO DE EQUIPAMENTO MULTIFUNCIONAL DE BAIXO CUSTO AQUECEDOR DE AMBIENTES E DE ÁGUA,FORNO E FOGÃO
Eugenia A. Kuhn (1); Marcos B. Profes (2); Nauíra Z. Zanin (3); Miguel A. Sattler
(4);
Núcleo Orientado para a Inovação da Edificação. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil
E-mail: (1) [email protected]; (2) [email protected];
(3) [email protected]; (4) [email protected];
RESUMO
Este trabalho dá continuidade aos estudos realizados pelo grupo de sustentabilidade do
NORIE/UFRGS sobre planejamento urbano e edificações voltadas a populações de baixa renda. O
objetivo principal foi desenvolver uma solução econômica e eficiente que amenizasse o desconforto
térmico, durante o inverno, em habitações de baixa renda típicas do sul do Brasil. Foi desenvolvido
um “equipamento” compacto e de simples construção, que aproveita ao máximo o calor gerado, sem
negligenciar o impacto estético e o benefício lúdico da visualização da chama pelos moradores. Assim,
foram agregadas as funções de lareira, de aquecedor de água, de forno e de fogão. O modelo foi
concebido para implantação em um protótipo de habitação de interesse social projetado e construído
pelo NORIE, segundo diretrizes de sustentabilidade: a Casa Alvorada. Método: A concepção do
equipamento foi feita a partir de pesquisa bibliográfica sobre o funcionamento de modelos nacionais e
internacionais de fogões e lareiras que reunissem diversas funções, e a partir de recomendações
técnicas de profissionais especializados sobre os materiais selecionados e sobre o desenho do
equipamento. O resultado é um projeto adaptado aos requisitos apresentados, acompanhado dos
quantitativos de materiais e de custos, bem como de um manual com orientações para a autoconstrução.
Palavras-chave: aquecimento, habitação, sustentabilidade.
ABSTRACT
This work continues the NORIE´s sustainability group studies about urban planning and the
constructions directed to low income housings. The main objective was to develop an economic and
efficient solution, which could brighten up the thermal discomfort, during the winter, in typical low
income housing of the south of Brazil. A compact equipment of simple construction was developed,
which maximize the efficient use of the generated heating, without neglecting the aesthetic impact and
the playful benefit of the flame visualization for the inhabitants. Then, the functions of fireplace,
heater of water and oven and stove had been added. The model was conceived for implantation at a
prototype of low income house, designed and constructed by NORIE, according to sustainable
principles: the Alvorada House. Method: The equipment conception was made from bibliographical
research on the functioning of national and international models of stoves and fireplaces that
congregated several functions, and from technical recommendations of professionals. The result is a
suited project to the presented requirements, followed by the material quantitative and costs, as well as
an orientation manual for auto-construction.
Keywords: heating, habitation, sustainability.
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1
INTRODUÇÃO
O grupo de sustentabilidade do Norie/UFRGS, desde 1997, vem realizando estudos sobre soluções
sustentáveis e de baixo custo, voltadas a habitações de interesse social. O projeto deste aquecedor se
integra a uma pesquisa maior, que culminou na construção de um protótipo de habitação de interesse
social: a Casa Alvorada. O objetivo da construção do protótipo no próprio campus da UFRGS foi
possibilitar a investigação e teste de alternativas, simultaneamente, capazes de minimizar impactos
sobre o meio ambiente e atender aos requisitos típicos de habitações do Rio Grande do Sul,
especificamente, de Porto Alegre.
Um dos desafios de projetos na cidade é promover o conforto térmico nos espaços internos por meio,
estritamente, de estratégias bioclimáticas. Isso porque a cidade está sujeita a uma grande variação
climática anual e, em 77,5% das horas do ano, é necessário a utilização de estratégias para promover
conforto. Em aproximadamente 2/3 desse período, o desconforto térmico é provocado por frio e pode,
em grande parte, ser solucionado através de recursos de projeto, com o uso de massa térmica para
aquecimento, isolamento térmico e ganhos solares. Ainda assim, como indica a carta bioclimática para
Porto Alegre, em 6% das horas do ano, a única alternativa é o aquecimento artificial (LAMBERTS et
alli, 2004).
Esses condicionantes de conforto térmico foram considerados no projeto do protótipo Alvorada, que,
depois de construído, foi submetido a monitoramento e a avaliações. Ainda que o projeto tenha sido
adaptado ao clima, a pesquisa realizada por Morello (2006) indica que, para a condição de inverno, o
protótipo apresenta cerca de 50% dos horários do dia com temperaturas abaixo dos 12ºC, limite
inferior estabelecido pela norma de desempenho de edifícios habitacionais de até cinco pavimentos –
Parte 1: Requisitos Gerais (ABNT, 2004a). Ressalta-se que o monitoramento foi feito com o protótipo
desocupado. Assim, os ganhos de calor interno não estão considerados. De qualquer forma, reforça-se
que em determinados períodos é necessária a adoção de meios artificiais de condicionamento dos
ambientes, mesmo quando o projeto privilegia a adequação climática.
Quanto à utilização de equipamentos de climatização artificial em habitações porto-alegrenses, Hansen
(2000), identifica que é bastante variável em função do poder aquisitivo dos moradores. Para a faixa
de renda mais alta pesquisada pela autora, onde se incluem economias com consumo médio mensal de
energia elétrica superior a 500kWh, foi constatado que 72,3% das habitações possuem aparelhos de ar
condicionado e 25% possuem estufas. Esses equipamentos correspondem a 17% da demanda total de
energia elétrica nas residências. Já para habitações de porte semelhante ao protótipo Alvorada,
destinadas à população de mesma faixa de renda (entre um e três salários mínimos), Hansen (2000)
constatou que, embora 78% das residências utilizem equipamentos de climatização artificial, esses são
de baixa potência e têm pouca representatividade no consumo total de energia elétrica. O maior
consumo nessas residências é devido ao uso do chuveiro elétrico. Assim, a pesquisa realizada pela
autora reforça que as habitações porto-alegrenses pertencentes a moradores de diversos padrões de
renda não atendem aos requisitos de conforto e que aparelhos de climatização artificial são desejáveis,
independente da tipologia de habitação considerada.
Torna-se, então, necessário buscar soluções que atendam à demanda da população de baixa renda. No
entanto, energia é um dos aspectos-chave do desenvolvimento sustentável e sua discussão,
consequentemente, é fundamental ao se propor soluções voltadas a habitações de interesse social.
Dessa forma, o aquecedor apresentado neste trabalho teve como premissa a utilização de uma fonte
energética renovável, a lenha ou outro tipo de biomassa. Adicionalmente, se pré-determinou, que o
aquecedor deveria contemplar também o aquecimento de água, como forma de promover a redução do
consumo de energia elétrica no horário de pico, visto que esse padrão de habitação tem significativa
contribuição, através do chuveiro elétrico.
Buscou-se, com essa pesquisa, desenvolver um “equipamento” compacto e de simples construção, que
aproveitasse ao máximo o calor gerado, sem negligenciar o impacto estético e o benefício lúdico da
visualização da chama pelos moradores. Para tanto, foram agregadas diversas funções ao aquecedor,
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entre elas a de lareira, aquecendo o ambiente interno durante o inverno, a de aquecedor de água para
banho, através da implementação de uma serpentina conectada a um reservatório de água secundário, e
as funções de forno e de fogão.
As atividades em torno do forno/fogão e da lareira desenvolvem-se nas laterais opostas do aquecedor,
permitindo que ele sirva também como um divisor de ambientes, já que as restrições econômicas
impostas aos projetos de habitações populares induzem à elaboração de tipologias com um ambiente
comum para sala e cozinha.
Apesar de ter sido desenvolvido no âmbito das pesquisas voltadas para aprimoramento da Casa
Alvorada, o aquecedor aqui apresentado tem dimensões, configuração e funcionamento adaptados a
habitações populares usuais e pode, também, ser utilizado em outras edificações, implantadas em
locais onde em certo período do ano se verifique temperaturas abaixo da zona de conforto.
2
OBJETIVO
O objetivo principal foi desenvolver uma solução econômica e eficiente que amenizasse o desconforto
térmico, durante o inverno, em habitações de baixa renda típicas do sul do Brasil.
3
METODOLOGIA
A concepção do aquecedor foi feita a partir de pesquisa bibliográfica sobre o funcionamento de
equipamentos para aquecimento de ambientes, que utilizassem como fonte energética a lenha ou outro
tipo de biomassa. Foram analisados modelos nacionais e internacionais de fogões e lareiras,
privilegiando-se aqueles que reúnem diversas funções. No decorrer do desenvolvimento do projeto,
também foram consultados profissionais especializados, que contribuíram com recomendações sobre o
desenho do “equipamento” e sobre os materiais selecionados.
Prevê-se também a continuidade da pesquisa, por meio da construção do aquecedor no próprio
protótipo Alvorada e do posterior monitoramento do sistema.
4
PROJETO RESULTANTE
Os seguintes condicionantes funcionais e de sustentabilidade foram norteadores do projeto:
a) ser compacto, já que as habitações da população de baixa renda têm, usualmente, áreas
internas bastante restritas;
b) apresentar as funções forno/fogão voltadas para a face oposta da função lareira, já que,
culturalmente, são utilizadas em ambientes distintos;
c) ser de baixo custo e possibilitar a auto-construção;
d) utilizar materiais e produtos inertes e que não contenham compostos orgânicos voláteis
(VOCs), fibras que apresentem riscos a saúde ou metais pesados;
e) utilizar materiais disponíveis localmente;
f) priorizar o uso de materiais reutilizados;
g) explorar a máxima eficiência1 do sistema, sem o uso de tecnologias que precisem ser
compradas e lançando-se mão apenas de peças e materiais comumente encontrados nos
mercado e que permitam a construção sem mão-de-obra especializada.
1
Segundo Pahl (2003), a eficiência de um sistema de aquecimento é a taxa entre a quantidade de calor produzido
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Como resultado, considerando-se os condicionantes acima apresentados, chegou ao modelo de
aquecedor representado pelos desenhos técnicos expostos a seguir (figura1):
Figura 1: Desenhos técnicos
utilizável e a quantidade de energia potencial do combustível.
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4.1
Funcionamento
Um dos princípios fundamentais do projeto, como mencionado, foi a busca da eficiência, através da
otimização do calor produzido. Assim, a primeira medida foi o fechamento da boca da fornalha. As
lareiras tradicionais sem fechamento, além de deixarem passar fumaça para dentro do ambiente,
apresentam uma grande perda de calor. O acréscimo de portas aumenta em, no mínimo, 10% a
eficiência do sistema (PAHL, 2003). Considerando-se as restrições financeiras e a proposta de
reutilização de materiais, optou-se pela utilização, como fechamento, de portas de fogões adquiridas
em oficinas de reciclagem. A segunda medida para o aumento da eficiência foi a criação de câmaras
laterais de ar, entre a parede externa do aquecedor e as chamas, inserindo-se uma chapa metálica
intermediária. Isso possibilitou promover o aquecimento do recinto por radiação e por convecção.
O ciclo do calor é iniciado com a geração do mesmo, através da combustão de lenha na lareira. A
liberação desse calor para ambiente ocorre por três formas. A primeira pela radiação direta do calor
através do vidro da porta. A segunda pela radiação do calor absorvido pelas superfícies opacas, como
as alvenarias e lajes. E, por último, o fogo aquece as chapas metálicas, que por sua vez esquentam o ar
da câmara, gerando movimento convectivo, que succiona o ar frio do recinto pelas aberturas inferiores
e libera ar aquecido por aquelas superiores (figura 2).
O aquecimento do fogão e do forno se dá simultaneamente de duas maneiras: uma delas, diretamente
através do calor das chamas na chapa de ferro fundido do fogão; e, a outra, por meio do ar aquecido
que sobe pela chaminé e que circula pelas câmaras laterais, elevando a temperatura das chapas
metálicas que circundam o forno, aquecendo seu interior.
Quanto ao aquecimento de água, é gerado através da implementação de uma serpentina de tubos de
cobre no interior do forno (figura 2), conectada a um reservatório secundário, que, no caso do
protótipo Alvorada, foi posicionado em um mezanino, acima do aquecedor. A água fria, no interior da
serpentina, é aquecida próximo à fornalha e, por diferença de densidade, retorna ao tonel/reservatório,
provocando sua circulação.
Figura 2: Inserção no protótipo Alvorada
4.2
Inserção no protótipo Alvorada
Como já apontado, o aquecedor foi projetado a partir da demanda observada nos estudos
desenvolvidos no protótipo Alvorada, mas pode ser adaptado a qualquer habitação. Para se demonstrar
sua aplicação, apresenta-se o projeto de inserção na Casa Alvorada (figura 3):
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Figura 3: Inserção na Casa Alvorada
4.3
Construção
A pré-determinação de que o aquecedor deveria ser de simples construção, para que não exigisse a
contratação de mão de obra especializada, exigiu um planejamento das etapas de execução que, por
fim, gerou um manual de construção passo-a-passo1. O manual oferece desenhos detalhados de todos
os componentes utilizados, desde as lajes ao dimensionamento da estrutura interna de aço (único
elemento cuja confecção precisa ser encomendada).
A seguir, apresentam-se, reduzidamente, essas etapas de construção, acompanhadas de algumas
recomendações:
a) Etapa 1: o aquecedor exige um espaço de dimensões de 83 X 82 cm, sendo que a área a ser
instalada deve ser plana. Os tijolos devem ser assentados como na figura 2, intercalando-os até
a 4ª fiada. O Traço da argamassa de assentamento deve ser de 1:3:8, respectivamente:
cimento, cal em pó extinto e areia. A areia utilizada deve ser média, lavada e limpa, e o
cimento não pode estar empedrado. Após o assentamento da 4 ª fiada, se dispõem sobre ela
duas barras metálicas, conforme apresentado na figura 4, que funcionarão como apoio da
gaveta de cinzas. A seguir, assentam-se as fiadas seguintes até a de número 6, que confere
com a altura de apoio da laje inferior. Essa laje deve ser armada, conforme desenho de
armadura das lajes que pode ser encontrado no manual de construção, e o traço do concreto a
ser utilizado corresponde a 1:3:6, respectivamente: cimento, areia e brita zero;
b) Etapa 2: após a colocação da laje inferior, assenta-se a 7ª fiada de tijolos, observando-se que,
a essa altura, nas paredes laterais do aquecedor, haverá furos para entrada de ar, que devem ser
obtidos através do corte de alguns tijolos. A laje será, então, revestida com 8 tijolos refratários,
conforme o posicionamento indicado na figura 4, preferencialmente, com argamassa
refratária;
c) Etapa 3: após a etapa anterior, prossegue-se com a construção das paredes laterais e do fundo
até a 14 ª fiada. Na parede da face para a qual se volta a abertura da lareira, deve-se observar o
encaixe dos tijolos de forma a preservar a abertura e a estética do aquecedor. O traço da
1
Esse manual pode ser obtido entrando-se em contato com os pesquisadores.
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argamassa de assentamento sugerido é 1:3:8, respectivamente: cimento, cal em pó extinto e
areia. Na abertura, escora-se a verga para o assentamento de 2 barras de ferro com argamassa;
d) Etapa 4: assentam-se, então, as plaquetas refratárias na face interna da parede posterior
(conforme figura 4) e, em seguida, a 15ª fiada de tijolos maciços. Nessa mesma parede (na
qual se encontra a abertura do forno/fogão), assentam-se, nas extremidades, somente os tijolos
cortados com 9 cm, deixando espaço para a abertura do forno;
e) Etapa 5: encaixa-se a estrutura de aço (figura 5), conforme a figura 4, com os tubos de cobre
(serpentina para circulação de água) já fixados;
f) Etapa 6: encaixa-se a chapa de ferro fundido de duas bocas na estrutura metálica, conforme a
figura, e, por fim, encaixa-se a chaminé (figura 5).
Figura 4: Etapas de construção
Figura 5: Estrutura de aço interna e elementos para a chaminé
4.4
Quantitativos e custos de materiais
A lista de todos os materiais utilizados com suas quantidades, dimensões e preços encontram-se na
tabela 1. Incluíram-se também os materiais necessários para a instalação do reservatório para a água
aquecida, que é um tonel reutilizado de transporte de óleo metálico de 220 litros.
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Tabela 1 – quantitativos e custos dos materiais
Embora se tenha utilizado materiais reaproveitados, os custos correspondentes aos mesmos foram
considerados no orçamento, uma vez que serão adquiridos em ferros-velho. Entre esses materiais estão
o tonel para o reservatório, os tubos de cobre para a serpentina, as portas de fogão e as grelhas para
forno. Os tijolos também podem ser obtidos em depósitos de demolição, ou mesmo serem recolhidos
em canteiros onde se faça uma demolição seletiva.
O custo total para a aquisição de todos os materiais corresponde a US$ 302,40, o que pode ser
considerado um investimento bastante alto para uma família de baixa renda. No entanto, o que se
observou, através das solicitações de orçamentos, é que para a maior parte dos materiais, os preços são
bastante variáveis e o se apresenta aqui é uma média de valores. Essa variação ocorre, provavelmente,
por não serem produtos-padrão, e não terem preços pré-estabelecidos. A estrutura interna, em aço, é o
componente de custo mais significativo do aquecedor e um daqueles para o qual se observou as
maiores variações de preço. Para peças oriundas de ferros-velho, o que se verifica é que os preços são,
usualmente, sujeitos à especulação. E os valores considerados aqui foram aqueles fornecidos,
inicialmente, pelos vendedores. Assim, pode-se concluir que podem ser obtidos valores mais baixos
para a construção do aquecedor.
Figura 5: Portas de fogão reutilizadas
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REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Desempenho de edifícios
habitacionais de até cinco pavimentos – Parte 1: Requisitos Gerais (02: 136.01.001). Rio de Janeiro:
ABNT, 2004a. 53p.
HANSEN, M. D. A.; Padrões de consumo de energia elétrica em diferentes tipologias de
edificações residenciais em Porto Alegre. 2000. 137p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil).
Escola de Engenharia, Universidade Federal do RS, Porto Alegre.
LAMBERTS, R.; DUTRA, L.;PEREIRA, F. O. R. Eficiência energética na arquitetura. São Paulo:
PROCEL, 2004.
MORELLO, A. Análise do comportamento térmico de habitação unifamiliar de interesse social a
partir de medições in loco de temperatura do ar interno. In: ENCONTRO NACIONAL DE
TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 2006. Florianópolis. Anais... Porto Alegre:
ANTAC, 2006.
PAHL, G. Natural home heating: the complete guide to renewable energy options. Chelsea Green
Publishing Company. 2003. 281p.
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