Aplicação do indicador de carga hidráulica disponibilizada – estudo de caso 1 O primeiro estudo de caso utilizando o indicador de carga hidráulica disponibilizada fo

realizado em um setor de distribuição de água abastecido por um reservatório de água tratada. Este estudo foi conduzido no Serviço Autônomo de Água e Esgoto do município de Passos/MG, tendo por objetivo utilizar o indicador de carga hidráulica disponibilizada para

avaliar o gerenciamento das pressões da rede no bairro Aclimação. Este bairro é, atualmente, abastecido por meio de uma única adutora, cuja origem é o reservatório elevado de água tratada localizado na ETA do sistema. Este reservatório atende não somente ao setor Aclimação, mas também outros integrantes do sistema. Esta situação traz consigo alguns efeitos deletérios do ponto de vista hidráulico e energético:

• menor flexibilidade de operação do reservatório, tendo em vista a necessidade de se atenderem padrões de consumo distintos dos diversos setores, e suas respectivas demandas de carga hidráulica;

• desperdício de energia elétrica, uma vez que os conjuntos moto-bomba responsáveis pelo abastecimento do reservatório devem recalcar água com uma altura de elevação que atenda aos setores mais elevados;

• favorecimento de perdas de água por vazamento devido ao excesso de pressão nos setores mais baixos.

Propõe-se, nesse caso, avaliar a adequação das cargas hidráulicas disponibilizadas ao setor, através do gerenciamento das pressões da rede. Em termos práticos, este gerenciamento pode ocorrer de diversas formas: atendimento do setor Aclimação por meio de um reservatório secundário possivelmente instalado na própria ETA, alimentado por conjuntos moto-bomba que atendam à altura de elevação otimizada, utilização de válvulas redutoras de pressão e, no caso de déficits de pressão, o uso de boosters.

Neste tipo de aplicação, o indicador de carga hidráulica disponibilizada permite avaliar duas condições referentes à eficiência hidráulica e energética da rede:

• condição de excesso de pressão: esta condição ocorre geralmente durante as madrugadas, por ocasião das menores demandas da rede. Tal condição representa uma fonte de desperdício de energia elétrica, uma vez que o excesso de pressão em relação à necessária ou admissível é comumente associado a níveis de reservatórios acima dos necessários. A manutenção destes níveis também estão associados ao bombeamento sob alturas de elevação acima das necessárias, resultando em consumos energéticos desnecessários. Em termos hidráulicos, pressões excessivas são indutoras de perdas de água por vazamento, favorecendo desperdícios de água tratada com conteúdo energético agregado;

• condição de déficit de pressão: ocorre simultaneamente a períodos de alta demanda na rede, sobretudo nas áreas mais elevadas desta. Esta condição relaciona-se à baixa eficiência e desempenho hidráulico da rede, uma vez que os consumidores estarão sujeitos a pressões inferiores às admissíveis, o que compromete a qualidade do serviço.

O valor alvo do ICHD, quando aplicado para análise de pressões em redes, será calculado

através da definição das menores cargas fornecidas à rede (materializadas por níveis de reservatórios ou pressões fornecidas por bombeamento) necessárias à manutenção dos níveis mínimos de pressão nesta, conforme a variabilidade temperal das demandas. Maiores detalhes deste cálculo são apresentados a seguir.

Considerando a inexistência de monitoramento hidráulico contínuo no setor Aclimação, todas as informações necessárias para o cálculo do indicador foram obtidas através de um modelo implantado no aplicativo EPANET (ROSSMAN, 2000). Para modelagem e calibração do modelo, foram realizadas medições no local, durante um período de 24 horas, sendo os padrões de vazão, nível e pressão obtidos assumidos os médios do sistema. As medições incluíram:

• levantamento de cotas topográficas de nós com GPS topográfico, de forma a se validar informações fornecidas pelo SAAE;

• macromedição da vazão que adentra o setor, por meio de medidor ultrasônico, em intervalos de 30 minutos;

• nível do reservatório;

• pressões em 4 pontos da rede.

As características da rede, procedimentos de medição, modelagem e calibração são apresentados, de forma detalhada, no apêndice D. A Figura 60 apresenta os padrões de nível do reservatório e vazões demandas pelo setor, ambos medidos.

Verifica-se na Figura 60 que não ocorre modulação das cargas de bombeamento através da operação do reservatório atual, tendo em vista que seu nível se eleva durante o período de ponta (18:00 h às 21:00 h). Isso se deve à capacidade insuficiente deste reservatório de atender às demandas de todos os setores abastecidos, incluindo o setor Aclimação.

Figura 60 – Padrão de demanda de água e nível do reservatório – Setor Aclimação

O setor estudado é predominantemente residencial, no qual parte do consumo se dá em pontos ligados diretamente à rede e consequentemente submetidos às suas pressões (sobretudo em torneiras e outras ligações localizadas nas áreas externas das residências), sendo o restante associado a reservatórios residenciais individuais (caixas d´água), que mantém o nível de pressão de pontos de consumo interiores (torneiras, chuveiros, etc) praticamente constante.

No problema estudado, a carga hidráulica disponibilizada ótima é obtida através da simulação dos níveis d´água do reservatório que abastece o setor Aclimação, visando minimizar as pressões médias na rede, ao mesmo tempo em que são atendidos os limites mínimos estabelecidos por norma. Optou-se em resolver o problema por meio de variações de níveis de reservatório tendo em vista sua maior simplicidade; o mesmo efeito poderia ser obtido através da operação de válvulas redutoras de pressão e boosters.

Na qualidade de ferramenta de planejamento e tomada de decisões, o indicador de carga hidráulica disponibilizada considera o comportamento hidráulico médio da unidade de análise avaliada, no caso, o setor Aclimação, sendo este volume de controle do problema. Busca-se com isso avaliar a adequação das cargas globais da unidade, considerando o gerenciamento da carga hidráulica no ponto de entrada do setor que, como já mencionado, é abastecido por uma única adutora.

A proposta deste estudo de caso não considera o gerenciamento das cargas de forma mais discretizada dentro da unidade de análise, como por exemplo, a instalação de válvulas

para controle de pressões apenas nas zonas baixas do setor Aclimação, ou a utilização de boosters para pressurização de suas zonas altas. Apesar disso, o indicador de carga hidráulica disponibilizada pode ser utilizado para avaliação destas situações de maior discretização da rede, bastando para isso, reduzir o volume de controle de forma a englobar apenas as zonas desejadas.

A restrição deste problema refere-se às pressões mínimas na rede, estabelecidas pela NBR 12218 (ABNT, 1994b), como sendo de 10 m50 durante o período de maior consumo. Em função da indisponibilidade de dados do SAAE e impossibilidade de se monitorar a vazão em diversos pontos da rede, foi assumido durante a modelagem que o consumo na rede ocorre de forma homogênea ao longo das 24 horas, ou seja, os horários de máximo e mínimo consumo ocorrem ao mesmo tempo em todos os pontos da rede. Dessa forma, é esperado que as mínimas pressões na rede ocorram nos pontos mais elevados (de maiores cotas topográficas), e que, ao se manter as pressões mínimas nestes pontos, o restante da rede também estará sujeito a pressões superiores ao limite mínimo estabelecido. Assume-se, portanto, que o controle (restrições) do problema de otimização pode ser realizado a partir do nó de menor pressão da rede. A partir do modelo hidráulico desenvolvido, foi possível localizar a zona de menor pressão da rede, durante o momento de maior demanda, conforme Figura 61.

Na Figura 61, pode-se verificar a ocorrência de zonas com déficit de pressão, inferiores ao limite de 10 m, representadas pela cor azul. A partir deste mapa, foi identificado o nó crítico em termos de pressões mínimas, sendo ele o J109 (marcado na figura com um círculo vermelho), localizado na cota 804,9 m. A pressão mínima ocorre às 18:30 h, atingindo um valor de 0,56 m. A Figura 62 apresenta o perfil temporal de pressões no nó J109.

50 _{Apesar de a unidade de pressão no Sistema Internacional ser o Pascal (Pa), considera-se nesta tese a}

terminologia tradicional da engenharia hidráulica. Dessa forma, na maioria das análises e cálculos hidráulicos desenvolvidos, foi utilizado o metro (m) como unidade de pressão, sendo este equivalente à pressão exercida por 1 metro de coluna de água.

Figura 61 – Zonas de pressão do setor Aclimação durante o período de máxima demanda e menores pressões

Figura 62 – Perfil temporal de pressões no nó J109 (nó crítico de pressões mínimas)

Percebe-se na Figura 62 que o nó J109 somente apresenta pressões superiores à mínima admissível (10 m) no período entre as 22:00 h e 8:00 horas, quando ocorrem os mínimos consumos. Assim como na análise das zonas de mínima pressão, pode-se identificar os trechos de máxima pressão, mais susceptíveis à vazamentos. As pressões máximas ocorrem durante os períodos de mínima demanda, sendo visualizados na Figura 63.

Figura 63 – Zonas de pressão do setor Aclimação durante o período de mínima demanda e maiores pressões

Figura 64 – Perfil temporal de pressões nos nós J98 e J108 (nós críticos de pressões máximas)

Verifica-se na Figura 63 que duas zonas localizadas nos extremos da rede, no sentido norte/sul, apresentam pressões acima do limite de 50 m estabelecido pela NBR 12218. Os nós J98 (localizado no extremo norte da rede) e J108 (extremo sul da rede) são os de maiores pressões da rede (marcados na figura com círculos azuis), localizados, respectivamente, nas cotas 758,9 m e 758,6 m.

Na Figura 64, verifica-se que o nó J108 apresenta pressões excessivas, em relação ao limite de 50 m, durante praticamente todo o dia, com exceção do período de máxima demanda. O nó J98 apresenta pressões excessivas no período noturno e, mesmo durante o período de maior demanda, pressões elevadas, acima de 40 m. As pressões máximas nos nós J98 e J108 são de 67,0 m e 67,7 m, ocorrendo às 4:30 h, durante a madrugada.

Uma vez identificado o nó de mínima pressão, que fornecerá as restrições do problema, pode-se obter o perfil ótimo de cargas disponibilizadas para a rede em questão. O nó J109 é abastecido por uma única adutora, servindo de derivação para o trecho sul do setor Aclimação. O perfil ótimo de cargas disponibilizadas é aquele com as mínimas cargas que mantenham os níveis de pressão no nó crítico (J109) dentro dos limites impostos pelas normas; fisicamente este perfil resultará na manutenção da pressão do nó J109 constante, no valor mínimo admissível de 10,0 m. Com isso, será obtido o perfil teórico que, simultaneamente, minimiza a energia fornecida à rede através de bombeamento e os níveis de vazamento na rede, considerando os níveis mínimos admissíveis.

3.7.3.4 Aplicação do indicador de carga hidráulica disponibilizada – estudo de caso 2