projeto de um sistema de aquecimento solar de água

CARLOS HENRIQUE FICHE DE CARVALHO
PROJETO DE UM SISTEMA DE
AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA PARA
POUSADAS
Monografia apresentada ao Departamento de
Engenharia da Universidade Federal de
Lavras, como parte das exigências do curso
de Pós Graduação Lato Sensu em Fontes
Alternativas de Energia, para obtenção do
título de especialista em Fontes Alternativas
de Energia.
Orientador: Prof. Carlos Alberto Alvarenga
LAVRAS
MINAS GERAIS - BRASIL
CARLOS HENRIQUE FICHE DE CARVALHO
PROJETO DE UM SISTEMA DE
AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA PARA
POUSADAS
Monografia apresentada ao Departamento de
Engenharia da Universidade Federal de
Lavras, como parte das exigências do curso
de Pós Graduação Lato Sensu em Fontes
Alternativas de Energia, para obtenção do
título de especialista em Fontes Alternativas
de Energia.
APROVADA em ____de _____________de________
Prof. ______________________________
Prof. ______________________________
Prof. ______________________________
UFLA
Prof. Carlos Alberto Alvarenga
LAVRAS
MINAS GERAIS - BRASIL
Dedico este trabalho aos meus pais, Luiz Manoelino de Carvalho e
Suely Fiche de Carvalho pelo apoio incondicional.
AGRADECIMENTOS
•
A Deus, pela saúde que me proporciona para vencer os desafios
da vida;
•
Aos meus pais, pela criação e educação que me deram;
•
Ao meu orientador Professor Carlos Alberto Alvarenga, que com
seu empenho e conhecimento tornou-se possível a conclusão deste
trabalho;
•
Ao Sr. Paulo Sérgio Della-Sérvia Rodrigues, proprietário da
pousada Serra do Ouro em São João del Rei, objeto de estudo
deste trabalho.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................... 06
2. OBJETIVOS ..................................................................... 09
3. REVISÃO DE LITERATURA ............................................. 10
3.1. A radiação solar ......................................................... 15
3.2. Instrumentos de medição da radiação solar ........... 19
3.2.1. Piranômetros .......................................................... 20
3.3. Campo de utilização .................................................. 21
3.4. Sistemas de aquecimento solar ............................... 22
3.4.1. Circulação em termossifão.................................... 22
3.4.2. Circulação Forçada ................................................ 24
3.5. Os coletores solares.................................................. 25
3.5.1. Coletor solar plano................................................. 27
3.5.2. Coletores concentradores ..................................... 29
3.5.3. Coletores concentradores parabólicos ................ 30
3.6. Tanques de armazenamento..................................... 32
3.7. Requisitos para uma boa instalação........................ 33
4. A POUSADA ..................................................................... 35
4.1. Cálculos ..................................................................... 36
4.2. AS BUILT .................................................................... 39
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................... 45
6. CONCLUSÃO ................................................................... 47
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................... 50
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 – Distribuição de consumo de energia elétrica
doméstica no Brasil .......................................................................09
Figura 02 – Diversas fontes renováveis de energia.......................13
Figura 03 – Representação das estações do ano e do
movimento da terra em torno do sol ..............................................15
Figura 04 – Média anual de insolação diária no Brasil (horas) ......16
Figura 05 – Piranômetro ................................................................21
Figura 06 – Circulação por termossifão .........................................23
Figura 07 – Circulação forçada......................................................25
Figura 08 – Coletor solar plano .....................................................27
Figura 09 – Coletor concentrador .................................................30
Figura 10 – Coletor concentrador parabólico.................................31
Figura 11 – Tanques de armazenamento......................................33
Figura 12 – Planta baixa dos coletores e Boiler ............................41
Figura 13 – Corte BB .....................................................................42
Figura 14 – Corte AA .....................................................................43
Figura 15 – Vista dos coletores .....................................................44
Figura 16 – Vista parcial da pousada ............................................44
Figura 17 – Quadro de comando ...................................................45
3
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 – Quadro comparativo de diversas fontes de energia ....... 07
Tabela 02 – Irradiação solar nas regiões............................................ 35
4
RESUMO
A energia tem sido através da história a base do
desenvolvimento das civilizações. Acredito ser chegada a hora
de ingressarmos na era das Fontes Alternativas de Energia,
devido a vários fatores, como por exemplo, a crise do petróleo,
dificuldades para a construção de novas centrais hidroelétricas
e termelétricas, o carvão mineral e outras formas de energia
suja que causam degradação ambiental e não são renováveis.
A energia Termo Solar, que utiliza a energia do sol, pode
ser utilizada para aquecimento de água em suas mais diversas
aplicações, tais como para substituição de chuveiros elétricos,
em cozinhas, piscinas térmicas, estufas, secadoras, saunas e
etc.
Neste trabalho será mostrado como o aquecimento de
água utilizando a energia solar, através de coletores solares e
armazenamento
em
reservatórios
especiais
pode
ser
vantajoso, tanto do ponto de vista econômico quanto do ponto
de vista ecologicamente correto.
5
1.
INTRODUÇÃO
As primeiras experiências para entender melhor a
capacidade do sol de aquecer água foram documentadas em
1767 pelo Suíço Horace de Saussure, que fez várias
experiências com uma caixa revestida com isolamento térmico
(Soletrol).
No Brasil os primeiros aquecedores surgiram nos anos
70, impulsionado pela crise do petróleo.
Na década de 90 houve um crescente profissionalismo
em resposta a um mercado cada vez mais exigente e devido
ao surgimento das primeiras normas da ABNT específicas para
o setor.
O sol é uma fonte de energia renovável, e o
aproveitamento desta energia tanto como fonte de calor como
fonte de luz é uma das alternativas energéticas mais
promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio.
A energia solar utilizada para aquecimento de água é a
solução ideal para áreas mais afastadas e ainda não
eletrificadas ou com demanda elétrica insuficiente para a
instalação, por exemplo, de uma pousada.
6
A tabela 01 abaixo nos mostra como o uso de
aquecedores solares pode evitar a utilização de diversas fontes
convencionais de produção de energia.
Tabela 01: Quadro comparativo de diversas fontes de energia
Para cada m2 de coletor solar instalado permite:
- Economizar 55 kg de GLP por ano
- Economizar 66 litros de diesel por ano
- Evitar a inundação de cerca de 56 m2 de terras para a
geração de energia elétrica
- Economizar 215 kg de lenha por ano
Fonte: ASTROSOL
Ainda podemos dizer que uma parte do milionésimo de
energia solar que nosso País recebe durante o ano poderia nos
dar 01 suprimento de energia equivalente a:
- 54% do petróleo nacional;
- 02 vezes a energia obtida com o carvão mineral;
- 04 vezes a energia gerada no mesmo período por uma
usina hidrelétrica.
O território brasileiro, devido as suas proporções
continentais e localização tropical, possui um dos maiores
7
potenciais do mundo para a utilização da energia solar como
forma alternativa de energia.
Hoje no Brasil a aplicação em maior escala da energia
solar está no uso de aquecedor solar para substituir o chuveiro
elétrico, mas mesmo assim a utilização ainda é pequena perto
do potencial oferecido, devido ao custo do sistema de
aquecimento ser elevado em comparação ao custo de um
chuveiro, chegando a ser 15 vezes maior, levando em conta o
seu preço estar na ordem de R$20,00.
Nos últimos dois anos, 600 mil metros quadrados de
coletores solares foram instalados no país, e somente em Belo
Horizonte, 860 prédios funcionam com aquecimento solar
(SOLBRASIL).
Considerando dados solarimétricos do Brasil, há regiões
que proporcionam 65% de economia e outras, mais quentes,
que podem atingir até 80% de economia anual, na geração de
água quente (CEMIG).
Segundo dados do PROCEL (1998), uma grande
parcela da produção de energia do país é utilizada no
aquecimento de água, com 26% do consumo doméstico,
conforme figura 01 abaixo:
8
Figura 01 – Distribuição de consumo de energia elétrica doméstica
no Brasil (PROCEL, 1998).
2.
OBJETIVO
A Estrada Real percorre quase todo o interior de Minas
Gerais, passando por São Paulo e Rio de Janeiro, partindo de
Diamantina até Paraty (Caminho Velho) e Rio de Janeiro
(Caminho Novo), totalizando mais de 1.400 km de estradas
cercadas por regiões que reúnem as condições ideais para
prática de esportes radicais ou ligados à natureza, sem falar no
potencial turístico.
Foi pensando neste grande potencial de investimento
que este trabalho foi desenvolvido, a fim de levar conhecimento
necessário para quem queira, por exemplo, construir uma
pousada e utilizar a energia solar como fonte de energia. Tal
9
necessidade se explica devido às localidades com pouca
demanda de energia elétrica, o que implicaria em gastos de
reforço na rede elétrica da concessionária local para suprir a
demanda. Algumas fazendas, por exemplo, são transformadas
em hotéis e não disponibilizam de energia suficiente para um
determinado número de hóspedes.
Com o uso da energia solar para aquecimento de água,
além da economia com gastos no consumo da energia elétrica,
temos uma fonte de energia ecologicamente correta, limpa,
inesgotável e gratuita. Ela pode ser utilizada não somente em
substituição aos chuveiros elétricos, mas também para
aquecimento da água em piscinas, ofurôs, cozinhas, vestiários
e também para pré-aquecimento de caldeiras.
Em um mercado de turismo cada vez mais exigente e
preocupado com a preservação do meio ambiente, nada
melhor que se utilizar uma fonte de energia limpa.
3.
REVISÃO DE LITERATURA
Ao tratar as fontes renováveis de energia, não poderia
deixar de primeiramente definir quais são as fontes renováveis
de energia e qual o significado do termo renovável.
10
Quanto às fontes de energia, considera-se toda
substância (petróleo, carvão, urânio, biomassa) capaz de
produzir energia em processos de transformação (combustão,
fissão nuclear) como também as formas de energia (energia
solar, gravitacional), associada ou não ao movimento dos
corpos, fluidos (energia das ondas, hidráulica) e ventos
(energia eólica), ou à temperatura das substâncias (energia
geotérmica), cuja transformação em outras formas de energia
pode ser realizada em larga escala.
As fontes de energia mais conhecidas hoje podem ser
classificadas em dois tipos: fontes primárias, originadas de
processos fundamentais da natureza, como a energia dos
núcleos dos átomos ou a energia gravitacional, e secundária,
derivada da primeira, representando apenas transformações
e/ou diferentes formas daquelas, tais como a energia da
biomassa (solar) e a das marés (gravitacional).
Quanto à renovabilidade das fontes, em princípio todas
podem ser produzidas e repostas na natureza. Mas, para
várias delas, o processo de reposição natural envolve milhares
de anos e condições favoráveis (como o petróleo), enquanto
que e reposição artificial quando não é impossível é
11
absolutamente inviável, envolvendo um gasto de energia igual
ou superior à quantidade de energia a ser obtida, ou custos
proibitivos (como é o caso da energia nuclear). Estas fontes
são classificadas como não renováveis.
Da mesma forma, em princípio, nenhuma fonte de
energia pode ser considerada inesgotável. Entretanto, aquelas
cuja utilização pela humanidade não representa qualquer
variação significativa em seu potencial, que em muitos casos
está avaliado para uma duração de vários milhões ou bilhões
de anos (energia solar, gravitacional), e aquelas outras, cuja
reconstituição pode ser feita sem grandes dificuldades em
prazos de apenas alguns anos menos, como no caso da
biomassa, são designadas fontes renováveis de energia.
A figura 02 abaixo mostra a classificação geral das
fontes de energia conhecidas.
12
Figura 02 – Diversas fontes renováveis de energia
Fonte:(COMCIENCIA)
Segundo as Nações Unidas, em 1998 o consumo
mundial de energia primária proveniente de fontes não
renováveis
(petróleo,
carvão,
gás
natural
e
nuclear)
correspondeu a aproximadamente 86% do total, cabendo
apenas 14% às fontes renováveis. Do total de energia
consumido em 1999, cerca de 53% ocorreu nos 24 países com
economia desenvolvida, ficando os cerca de 100 países
denominados
de
economia
em
desenvolvimento com os 47% restantes.
13
transição
ou
em
Podemos constatar que mais cedo ou mais tarde a
oferta destas fontes não renováveis será reduzida, obrigando a
utilização de outras fontes de energia. Neste ponto, muitos
especialistas apontam as fontes de energias renováveis como
a
única
solução
de
suprimento
de
energia
para
um
desenvolvimento econômico e ambientalmente sustentável.
O conceito de desenvolvimento sustentável é bastante
amplo, implicando em ações em todas as áreas da atividade
humana, tais como planejamento familiar, alterações nos
processos agrícolas e industriais e também a criação de taxas
para os impactos ambientais inevitáveis provocados por
algumas atividades essenciais, como, por exemplo, a geração
de energia, o que elevará os custos principalmente das fontes
não renováveis.
Apesar de não estarem isentas de provocarem inúmeras
alterações no meio ambiente, pois todas as atividades
humanas em maior ou menor grau assim o fazem, as fontes
renováveis de energia aparecem hoje como as melhores
opções para um futuro sustentável para a humanidade.
3.1. A RADIAÇÃO SOLAR
14
Além
das
condições
atmosféricas
(nebulosidade,
umidade relativa do ar etc.), a disponibilidade de radiação
solar, também denominada energia total incidente sobre a
superfície terrestre, depende da latitude local e da posição no
tempo (hora do dia e dia do ano). Isso se deve à inclinação do
eixo imaginário em torno do qual a Terra gira diariamente
(movimento de rotação) e à trajetória elíptica que a Terra
descreve ao redor do Sol (translação ou revolução), como
ilustrado na Figura 03.
Figura 03: Representação das estações do ano e do movimento da
terra em torno do sol.
Fonte: (ANEEL, 2006)
Desse modo, a duração solar do dia – período de
visibilidade do Sol ou de claridade – varia, em algumas regiões
e períodos do ano, de zero hora (Sol abaixo da linha do
15
horizonte durante o dia todo) a 24 horas (Sol sempre acima da
linha do horizonte). O mapa da Figura 04 apresenta a média
anual de insolação diária, segundo o Atlas Solarimétrico do
Brasil (2000).
Figura 04: Média anual de insolação diária no Brasil (horas)
Fonte: (ANEEL, 2006)
A maior parte do território brasileiro está localizado
relativamente próximo da linha do Equador, de forma que não
se observam grandes variações na duração solar do dia.
16
Contudo, a maioria da população brasileira e das atividades
socioeconômicas do País se concentra em regiões mais
distantes do Equador. Em Porto Alegre, capital brasileira mais
meridional (cerca de 30º S), a duração solar do dia varia de 10
horas
e
13
minutos
a
13
horas
e
47
minutos,
aproximadamente, entre 21 de junho e 22 de dezembro,
respectivamente.
Desse modo, para maximizar o aproveitamento da
radiação solar, pode se ajustar a posição do coletor ou painel
solar de acordo com a latitude local e o período do ano em que
se requer mais energia. No Hemisfério Sul, por exemplo, um
sistema de captação solar fixo deve ser orientado para o Norte,
com ângulo de inclinação similar ao da latitude local.
A radiação solar depende também das condições
climáticas e atmosféricas. Somente parte da radiação solar
atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos
raios solares pela atmosfera. Mesmo assim, estima-se que a
energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da
ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial
(CRESESB, 2000).
17
No Brasil, entre os esforços mais recentes e efetivos de
avaliação da disponibilidade de radiação solar, destacam-se os
seguintes: a) Atlas Solarimétrico do Brasil, iniciativa da
Universidade Federal de Pernambuco – UFPE e da Companhia
Hidroelétrica do São Francisco – CHESF, em parceria com o
Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de
Salvo Brito – CRESESB; b) Atlas de Irradiação Solar no Brasil,
elaborado pelo Instituto Nacional de Meteorologia – INMET e
pelo
Laboratório
de
Energia
Solar
–
LABSOLAR,
da
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. O Atlas
Solarimétrico do Brasil (2000) apresenta uma estimativa da
radiação solar incidente no país, resultante da interpolação e
extrapolação de dados obtidos em estações solarimétricas
distribuídas em vários pontos do território nacional. Devido,
porém, ao número relativamente reduzido de estações
experimentais e às variações climáticas locais e regionais, o
Atlas de Irradiação Solar no Brasil faz estimativas da radiação
solar a partir de imagens de satélites.
Como lembrado por pesquisadores do Centro de
Pesquisas de Eletricidade – CEPEL, ambos os modelos
apresentam falhas e limites e não devem ser vistos como
18
concorrentes. Ao contrário, devem ser complementares, na
medida em que reúnem o máximo possível de dados e podem,
dessa forma, melhorar as estimativas e avaliações da
disponibilidade de radiação solar no Brasil (CRESESB, 2000).
3.2. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR
A medição da radiação solar, tanto a componente direta
como a componente difusa na superfície terrestre é de maior
importância para os estudos das influências das condições
climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas,
pode-se viabilizar as instalações de sistemas térmicos e
fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo
aproveitamento ao longo do ano onde as variações da
intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações.
De acordo com as normas preestabelecidas pela OMM
(Organização Mundial de Meteorologia) são determinados
limites de precisão para quatro tipos de instrumentos: de
referência ou padrão, instrumentos de primeira, segunda e
terceira classe. As medições padrões são: radiação global e
difusa no plano horizontal e radiação direta normal.
19
3.2.1. Piranômetros
Os piranômetros medem a radiação global. Este
instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que
mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma
pintada de preto e outra pintada de branco igualmente
iluminada. A expansão sofrida pelas superfícies provoca um
diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor
instantâneo da energia solar.
Um outro modelo bem interessante de piranômetro é
aquele
que
monocristalino
utiliza
para
uma
coletar
célula
fotovoltaica
medidas
de
silício
solarimétrias.
Este
piranômetro é largamente utilizado, pois apresenta custo bem
menor
do
que
os
equipamentos
tradicionais.
Pelas
características da célula fotovoltaica, este aparelho apresenta
limitações quando apresenta sensibilidade em apenas 60% da
radiação solar incidente.
Existem vários modelos de piranômetros de primeira
(2% de precisão) e também de segunda classe (5% de
precisão). Existem vários modelos de diversos fabricantes entre
eles: Eppley 8-48 (USA), Cimel CE-180 (França), Schenk
(Áustria), M-80M (Russia), Zonen CM5 e CM10 (Holanda).
20
Figura 05 - Piranômetro de Segunda Classe
Fonte: CRESESB
3.3. CAMPO DE UTILIZAÇÃO
A área de atuação utilizando a energia solar é bastante
ampla, valendo ressaltar algumas aplicações mais conhecidas,
tais como:
¾ Eletrificação - Utiliza-se para eletrificação de residências,
escolas, comércio, fazendas, cercas, estradas, indústrias,
estações
e
postos
avançados
de
vigilância
e
de
torres
e
radiodifusão.
¾ Telecomunicações
retransmissores,
–
Telefonia
estações
radiocomunicações.
21
terrestres,
rural,
radiotelefonia
e
¾ Sinalização aérea e náutica – Faróis náuticos, sinalização
em antenas de transmissão de energia elétrica e de
radiodifusão, sinalização em portos e aeroportos.
¾ Sinalização rodoferroviária – painés de mensagens
randômicas e variáveis, para sinais luminosos e na
iluminação de placas de sinalização.
¾ Televigilância – Depósitos e silos, tráfego rodoviário, rios,
e pontos sujeitos a enchente.
¾ Refrigeradores e freezer.
¾ Bombeamento de água.
¾ Aquecimento de água
3.4. SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
Os dois sistemas de aquecimento solar mais utilizados
são:
-
Circulação em termossifão;
-
Circulação forçada.
3.4.1. Circulação por termossifão
O mesmo fluido a temperaturas diferentes tem também
densidades diferentes, quanto maior é a sua temperatura
menor a sua densidade. Por isso, quando se aquece um fluido,
22
este tem tendência a estratificar-se ficando a parte mais quente
na zona superior. No sistema de termossifão a água aquecida
pelo sol no coletor sobe empurrando a água mais fria do
depósito, forçando-a a tomar o seu lugar, descendo, para subir
novamente quando, por sua vez for aquecida. O depósito deve
ficar acima do coletor, senão dá-se o fenômeno inverso quando
já não houver sol (termossifão invertido).
Estes sistemas são compostos pelo coletor solar,
depósito acumulador, purgador, vaso de expansão e outros
pequenos acessórios. (Portal das Energias Renováveis, 2004).
FIGURA 06: Circulação em termossifão
Fonte: ASTROSOL
1- Coletores solares;
2- Boiler.
23
3.4.2. Circulação Forçada
Nas situações em que não é viável a colocação do
depósito acima da parte superior dos coletores e para os
grandes sistemas em geral é necessário usar bombas
eletrocirculadoras para movimentar o fluido térmico. A bomba
poderá ser comandada por um sistema de controle automático
(o comando diferencial).
O sistema de controle (comando diferencial) está
regulado de modo a colocar a bomba em funcionamento logo
que a diferença de temperatura entre os coletores e o depósito
atinja 5ºC.
Estes sistemas são compostos pelo coletor solar,
depósito acumulador, bomba eletrocirculadora, controlador
diferencial, purgador, vaso de expansão e outros pequenos
acessórios. (Portal das Energias Renováveis, 2004).
24
FIGURA 07: Circulação forçada
Fonte: ASTROSOL
1 - Caixa d'água
2 - Boiler
3 - Coletor Solar
4 - Respiro
5 - Descida p/ coletores
6 - Retorno dos coletores
7 - Alimentação de água fria
8 - Consumo de água quente
9 - Moto bomba
10 - Termostado diferencial de temperatura (TDT)
3.5. OS COLETORES SOLARES
Quando os raios do sol atravessam o vidro da tampa do
coletor solar, eles esquentam as aletas que são feitas de cobre
ou alumínio e pintadas com uma tinta especial e escura que
ajuda na absorção máxima da radiação solar. O calor passa
então das aletas para os tubos (serpentina) que geralmente
25
são de cobre. Daí a água que está dentro da serpentina
esquenta e vai direto para o reservatório do aquecedor solar .
Os coletores solares são fabricados com matéria-prima
nobre, como o cobre e o alumínio. Recebem um cuidadoso
isolamento térmico e ainda vedação com borracha de silicone.
Eles têm cobertura de vidro liso e são instalados sobre
telhados ou lajes, sempre o mais próximo possível do
reservatório térmico. Geralmente são fornecidos com válvula
anticongelamento.
O número de coletores solares a ser usado numa
instalação depende do tamanho do reservatório térmico, mas
pode também variar de acordo com o nível de insolação de
uma região ou até mesmo de acordo com as condições de
instalação.
Devido à baixa densidade da energia solar que incide
sobre a superfície terrestre, o atendimento de uma única
residência pode requerer a instalação de vários metros
quadrados de coletores. Para o suprimento de água quente de
uma residência típica (três ou quatro moradores), são
necessários cerca de 4 m2 de coletor.
Existem vários tipos de coletores solares, a saber:
26
-
Planos;
-
Coletores concentradores;
-
CPC ou coletores concentradores parabólicos.
3.5.1. Coletor solar plano
É o mais comum e destina-se a produção de água
quente a temperaturas inferiores a 100ºC. O uso dessa
tecnologia ocorre principalmente em residências, mas há
demanda significativa e aplicações em outros setores como
edifícios públicos e comerciais, hospitais, restaurantes e hotéis
ou pousadas, objeto de estudo deste trabalho.
A figura 08 abaixo mostra um típico coletor solar e suas
partes constituintes.
FIGURA 08: Coletor solar plano
Fonte: ASTROSOL
27
A - Cobertura transparente
B - Tubulação condutora de água
C - Chapa absorvedora de calor
D - Caixa externa
E - Isolamento térmico
F - Chapa de fundo
A - Cobertura transparente: Provoca o efeito estufa e reduz
as perdas de calor e ainda assegura a estanquicidade do
coletor.
B - Tubulação condutora de água: Por onde o fluido térmico
circula.
C - Chapa absorvedora de calor: Ou placa absorvedora de
calor. Serve para receber a energia e transforma-la em calor,
transmitindo-a para o fluido térmico que circula pela tubulação
condutora.
D - Caixa externa: A Caixa do coletor solar deve ser feita em
material resistente à corrosão e com rigidez mecânica
suficiente
para
garantir
a
integridade
estrutural
do
equipamento. As caixas podem ser feitas em chapa dobrada de
aço galvanizado ou de alumínio, com perfis e chapas de
alumínio, moldadas em plástico, etc.
28
E - Isolamento térmico: Serve para evitar perdas de calor uma
vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e
proteger o interior do coletor dos agentes externos.
3.5.2. Coletores concentradores
Para atingir temperaturas mais elevadas há que diminuir
as perdas térmicas do receptor. Estas são proporcionais a
superfície deste. Reduzindo-a em relação a superfície de
captação,
consegue-se
reduzir
as
perdas
térmicas
na
proporção dessa redução.
Os
sistemas
assim
concebidos
chamam-se
concentradores, e concentração é precisamente a relação
entre a área de captação (a área de vidro que serve de tampa
á caixa) e a área de recepção.
Acontece que, quanto maior é a concentração menor é o
ângulo com a superfície dos coletores segundo o qual têm que
incidir os raios solares para serem captados pelo que o coletor
tem de se manter sempre perpendicular aos raios solares,
seguindo o sol no seu movimento aparente diurno.
Esta é uma desvantagem, pois o mecanismo de controle
para fazer o coletor seguir a trajetória do sol, é bastante
29
dispendioso e complicado, para além de só permitir a captação
da radiação direta. (Portal das Energias Renováveis, 2004).
Figura 09: Coletor concentrador
Fonte: PORTAL DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS
3.5.3. CPC ou coletores concentradores parabólicos
O
desenvolvimento
da
óptica
permitiu
muito
recentemente a descoberta de um novo tipo de concentrador
(chamados CPC ou Winston) que combinam as propriedades
dos coletores planos (também podem ser montados em
estruturas fixas e têm um grande ângulo de visão o que
também permite a captação da radiação difusa) com a
capacidade
de
produzirem
temperaturas
mais
elevadas
(>70ºC), como os concentradores convencionais do tipo de
lentes.
30
Figura 10: Coletor concentrador parabólico
Fonte: PORTAL DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS
A diferença fundamental entre coletores parabólicos e
planos é a geometria da superfície de absorção, que no caso
dos CPC’s a superfície absorvedora é constituída por uma
grelha de alhetas em forma de acento circunflexo, colocadas
por cima de uma superfície refletora. A captação solar realizase nas duas faces das alhetas já que o sol incide na parte
superior delas e os raios que são refletidos acabam por incidir
na parte inferior das alhetas, aumentando assim ainda mais a
temperatura do fluido e diminuindo as perdas térmicas. (Portal
das Energias Renováveis, 2004).
31
3.6. TANQUES DE ARMAZENAMENTO
Devido ao fato da radiação solar não ser constante ao
longo do dia, se faz necessário o uso de um reservatório
térmico capaz de armazenar a energia absorvida para
possibilitar o uso do sistema em períodos sem radiação solar,
ou quando esta é muito baixa.
Para manter a água aquecida, o reservatório deve
contar com um baixo coeficiente de trocas térmicas com o
ambiente, usar materiais que sejam resistentes a corrosão, que
tenham uma boa rigidez estrutural e suportem temperaturas
entre 60ºC e 80ºC, faixa normalmente utilizada sistemas
domésticos. A união destes requisitos acaba levando ao uso do
aço inoxidável, no entanto, devido ao custo deste, outros
metais como o cobre, apesar de seu alto coeficiente de
condução térmica (385W/mK), também são utilizados.
Para garantir um bom isolamento térmico, o tanque
metálico é normalmente recoberto por um bom material
isolante (lã de vidro e poliuretano), com coeficientes de
condução térmica na ordem de 0,03 a 0,04 W/mK. Um
encapsulamento de aço galvanizado ou alumínio garante um
bom acabamento e certa rigidez ao sistema.
32
A Figura 11 abaixo mostra alguns modelos de tanques
de armazenamento de fabricação nacional.
Figura 11 – Tanque de armazenamento
Fonte: Soletrol, 2004
3.7. REQUISITOS PARA UMA BOA INSTALAÇÃO
Um
sistema
de
aquecimento
solar
instalado
corretamente pode economizar até 80% da energia elétrica
consumida para banho. Essa proporção, entretanto, depende
do correto dimensionamento do equipamento para atender o
nível de conforto pretendido pelos usuários.
Estudos da Cemig indicam que a maioria das falhas
deve-se a erros no projeto hidráulico de distribuição de água
quente (56%). Projetos arquitetônicos inadequados respondem
pelo mau funcionamento de 33% dos sistemas de aquecimento
solar e erros no próprio sistema, como a instalação errada ou
33
placas de má qualidade respondem por apenas 11% das
falhas. Contudo, quando bem instalado, o sistema de
aquecimento solar é muito eficiente.
Para um melhor aproveitamento dos coletores solares,
os mesmos devem estar voltados para a face norte e se não for
possível, para o noroeste ou nordeste. Caso se utilize a face
leste ou oeste do telhado deve-se acrescentar mais 25% de
área de coletor solar.
Deve-se observar também a inclinação do coletor, que
deve ser igual a latitude local + 5 graus. Quando isso não for
possível, deve ser considerada uma inclinação de 15 graus.
Um desnível de 60 cm entre o nível inferior do
reservatório e a saída da água quente do coletor deve ser
considerado, para que a convecção natural aconteça, no caso
de sistemas de circulação natural.
Buscar posições com o mínimo de sombreamento
sobre os coletores nas horas de maior incidência de calor a fim
de aproveitar ao máximo a eficiência dos mesmos.
As tubulações que levam água quente ao ponto de
consumo devem ser construídos com tubos resistentes ao calor
como aço galvanizado, cobre, CPVC e polipropileno.
34
Existem regiões que de acordo com a irradiação solar,
pode-se obter um melhor rendimento das instalações, como
mostra o quadro abaixo.
Tabela 02: Irradiação solar nas regiões
Irradiação média anual
Cidade
(Kcal/m2/dia)
Porto Alegre
3.755
São Paulo
3.944
Belo Horizonte
4.467
Brasília
4.556
Recife
4.608
Manaus
3.918
Ribeirão Preto
4.439
Fonte: ASTROSOL
4.
A POUSADA
Trata-se de uma pousada de médio porte instalada na
Estrada Real, mais precisamente na cidade de São João Del
Rei. Foi inaugurada em 2001 já com o sistema de aquecimento
solar instalado. Os cálculos a seguir confirmam as instalações
existentes na pousada, como por exemplo, a área dos
coletores solares e a capacidade de consumo de água quente.
35
4.1. CÁLCULOS
O tamanho do aquecedor, dado pela área da placa
coletora e pelo volume do reservatório térmico é, basicamente,
uma função da insolação média local, do número de usuários,
da temperatura requerida para a água, da quantidade de água
consumida por banho e do número de banhos que cada
usuário toma por dia.
A Norma Técnica Brasileira, NB 128/ABNT*, que rege
a instalação de água quente no Brasil, fornece as seguintes
especificações para o aquecimento de água residencial:
temperaturas usuais para uso pessoal em banhos ou higiene:
35° a 50°C; cozinhas (dissolução de gorduras) 60° a 70°C.
Consumo diário de água a uma temperatura média de 60°C:
casa popular ou rural, 36 litros por pessoa; residencial, 45 litros
por pessoa; apartamento 60 litros por pessoa. Confirmando
essa Norma, diversos autores adotam o consumo médio diário
entre 30 e 50 litros por pessoa, a uma temperatura entre 50° e
60°C.
* Agência Brasileira de Normas Técnicas
36
Os valores adotados num projeto podem variar, a
depender de exigências e costumes dos futuros usuários. Por
exemplo, é pouco provável que se use no chuveiro, água a
uma temperatura superior a 40°C. Por outro lado existem
usuários que têm o hábito de banhar-se por mais de 10
minutos, com a água quente aberta, o que pode significar um
consumo superior a 50 litros, por dia.
Considerando a vazão de 7 litros/minuto para cada
chuveiro e um tempo médio de 10 minutos para cada banho,
teremos uma vazão total de 70 litros. Se em cada apartamento
ficarem hospedadas três pessoas, teremos uma vazão total de:
Vazão = 3(pessoas) x 70 litros = 210 litros
Como são 20 apartamentos, teremos:
Vazão total = 20 x 210 = 4.200 litros/dia.
Considerando que pode-se utilizar a água quente na
cozinha e uma margem de segurança, adotaremos uma vazão
total de 5.000 litros/dia. Logo:
VAZÃO TOTAL = 5.000 litros/dia
Para o cálculo dos coletores, utilizaremos a seguinte
fórmula:
S = Q / Ixn, onde:
37
S = área dos coletores solares;
Q = Quantidade de energia necessária para elevar a
temperatura de uma determinada quantidade de água em xºC;
I = Intensidade da radiação solar
n = Rendimento do coletor, fornecido pelo fabricante.
Vamos considerar o rendimento dos coletores solares
de 60%.
A temperatura ambiente da água na região é T1=24ºC.
Portanto, para chegar a uma temperatura T2 = 50ºC, a
temperatura da água terá que ser elevada em 26ºC.
Considerando o tempo médio de funcionamento dos
coletores de 07 horas, verifica-se uma insolação média de 0,95
cal/cm².min.
O volume total de água de 5.000 litros, por um período
de 7 horas por dia, corresponde a 715 litros/hora, ou seja, 715
Kg/hora. Portanto:
Q = 715 Kg/h x 1 kcal/Kg.ºCx26ºC = 18.590
I = 0,95 cal/cm2.min = 57,0 cal/cm2.h = 0,057 Kcal/
cm2.h.
A área dos coletores solares será:
S = 18.590 / 0,057 x 0,60 = 54.3567,25 cm2
38
S = 54,35 m2
Portanto, para aquecermos 5.000 litros de água
diariamente a uma temperatura para banho em torno de 50ºC
teremos uma área total de 54,35 m2 de coletores solares.
Em dias de menor insolação, pode-se utilizar um
resistor, instalado dentro do Boiler. Geralmente este método é
utilizado quando o sistema é manual, ou seja, quando o resistor
é ligado manualmente. Utiliza-se um resistor de 5 a 8W para
cada litro do reservatório. Portanto, para cada Boiler da
pousada, que tem capacidade de 2.500 litros, o resistor deverá
ter uma potência de:
R = 2.500 x 8 = 20 kW
4.2. AS BUILT
Os dados calculados são confirmados com a área dos
coletores solares instalados hoje na pousada, que é de 57 m2.
O sistema existente na pousada utiliza a circulação
forçada, com duas bombas fazendo com que a água circule
pela tubulação até os coletores solares. Existe também
39
instalado um sistema de aquecimento a gás, que entra em
operação em tempos de menor insolação, tudo automatizado
através de sensores e controlado por um quadro elétrico de
comando.
As placas coletoras foram instaladas orientadas para o
Norte Geográfico e com uma inclinação de 30º.
Os 57 m2 de coletores solares foram divididos em dois
grupos de 28,5 m2, sendo cada grupo com um Boiler de 2.500
litros de capacidade, totalizando uma capacidade de consumo
de 5.000 litros.
Na Figura 12 está a planta de cobertura da pousada,
com a localização dos coletores solares e dos Boiler’s com
capacidade de 2.500 litros, cada um instalados no entreforro.
40
Figura 12: Planta baixa dos coletores e dos Boiler’s
41
Nas figuras 13 e 14 abaixo, estão os cortes AA e BB da
planta da pousada, com a localização dos coletores solares
com sua inclinação, localização dos Boiler’s e do aquecimento
a gás.
Foto 13: Corte BB
42
Figura 14: Corte AA
Nas
fotos
a
seguir
estão
as
instalações
em
funcionamento na pousada, com a vista dos coletores solares e
o quadro de comando de todo o sistema.
43
Figura 15: Vista dos coletores
Figura 16: Vista parcial da pousada
44
Figura 17: Quadro de comando
5.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
Para analisar a viabilidade econômica das instalações,
será feita uma simulação com a pousada utilizando chuveiro
elétrico nos vinte apartamentos, com uma média de ocupação
de três hóspedes por apartamento.
Para o nosso cálculo, vamos considerar que cada
apartamento tenha instalado um chuveiro de 5.400W de
45
potência, alimentado em 127V, utilizado na posição inverno
(pior situação).
O consumo diário de cada apartamento será calculado
considerando 03 banhos por dia, com duração média de 10
minutos cada banho (mesmos dados utilizados para calcular o
consumo de água e da área dos coletores).
Portanto, o consumo diário de cada apartamento será:
Consumo diário = 5,4 kW x 0,5 hora = 2,7 kWh
Como a pousada possui 20 apartamentos:
Consumo diário total = 2,7 kWh x 20 = 54 kWh
O consumo mensal será:
Consumo mensal = 54 kWh x 30 dias = 1.620 kWh
Portanto, o consumo mensal, considerando 100% de
ocupação, ou seja, 20 apartamentos ocupados com três
hóspedes tomando três banhos por dia com duração média de
10 minutos cada banho será de 1.620 kWh por mês.
Em valores de hoje, considerando os dados da conta
de energia da pousada, que está localizada em área urbana e
o preço do kWh está na faixa de R$0,49 centavos de real, o
valor gasto com energia elétrica durante 01 mês seria de
R$793,80.
46
Considerando que a pousada tem 100% de ocupação
durante 04 meses do ano, temos:
4 x 1,0 x R$ 793,80 = R$ 3.175,20
Nos outros 08 meses do ano, considerando 40% de
ocupação:
8 x 0,4 x R$ 793,80 = R$ 2.540,16
Portanto, o gasto com energia elétrica da pousada
somente com chuveiro elétrico, considerando uma ocupação
de 100% em 04 meses e de somente 40% nos outros 08
meses, durante 01 ano seria de:
R$ 3.175,20 + R$ 2.540,16 = R$ 5.715,36
Portanto:
Custo anual = R$ 5.715,36
6.
CONCLUSÃO
Segundo dados coletados com o proprietário, a média
do consumo de energia nos últimos doze meses foi de apenas
718 kWh. Nos cálculos feitos anteriormente, somente com os
chuveiros elétricos o consumo seria de 1.620 kWh, o que vem
comprovar que o chuveiro elétrico seria o grande vilão no
consumo energia da pousada.
47
Ainda de acordo com o proprietário, os gastos para
implantação do sistema de aquecimento da pousada foram de
aproximadamente de R$30.000,00 em dezembro de 2001.
Para atualizar estes valores, vamos considerar um aumento de
25%, ou seja, o custo das instalações passaria para R$
37.500,00.
Como foi calculado, o custo anual da pousada
utilizando chuveiros elétricos seria de R$ 5.715,36, em valores
atuais. Logo, o retorno dos investimentos se daria em
aproximadamente 06 anos.
Conclui-se também que o investimento no padrão de
entrada da pousada foi drasticamente reduzido, tendo em vista
que o padrão atual de fornecimento de energia elétrica é
bifásico, pois no local não existe rede de distribuição trifásica.
Caso o proprietário optasse por instalar chuveiros
elétricos, somente para os mesmos a pousada teria de
construir um padrão de energia com proteção de no mínimo
300A.
Diante deste fato, a concessionária de energia local
teria de fazer uma reforma na rede de distribuição a fim de
atender a pousada. O custo desta reforma na rede,
48
dependendo do caso, é divido entre a concessionária de
energia local e o cliente.
Fica evidente, portanto, o quanto o uso da energia
solar para aquecimento de água para substituir os chuveiros
elétricos em uma pousada é viável, tanto economicamente
quanto ecologicamente, por se tratar de uma energia
totalmente limpa.
49
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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condicionado, Ventilação e Aquecimento. São Paulo.
Disponível em: http://www.abrava.com.br/index.php;
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Substituição
a Chuveiros Elétricos, Fontes NãoConvencionais de Energia – As Tecnologias Solar,
Eólica e de Biomassa, Laboratório de Energia Solar,
UFSC, Florianópolis, Brasil, 2000;
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FAEPE, 2001;
4. AMBIENTEBRASIL.
Disponível
http://www.ambientebrasil.com.br;
em:
5. ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica,
disponível
em
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03Energia_Solar(3).pdf;
6. ASTROSOL
http://www.astrosol.com.br/;
Disponível
em:
7. CEMIG. Disponível em: http://www.cemig.com.br/;
8. CENTRO NACIONAL EM PEQUENAS CENTRAIS
HIDRELÉTRICAS
–
CERPCH
http://www.cerpch.unifei.edu.br/fontes_renovaveis/solar.
htm;
9. COMCIÊNCIA
Disponível
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http://www.comciencia.br/reportagens/2004/12/13.shtml;
10. CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e
Eólica Sérgio de Salvo Brito, disponível em
http://www.cresesb.cepel.br/Publicacoes/download/Diren
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50
11. Energia solar para o aquecimento de água, Instruções
para Projetistas e Instaladores, CEMIG/PROCEL, Belo
Horizonte, 1995;
12. Energias
Renováveis
–
Site
consultado:
http://www.energiasrenovaveis.com/html/energias/solar_t
ecnologias.asp;
13. LORENZETTI
http://www.lorenzetti.com.br;
Disponível
em:
14. SOLETROL - Disponível em: http://www.soletrol.com.br.
51