O presente trabalho realiza a comparação dos sistemas de aquecimento solar, elétrico e a gás. Os critérios utilizados para comparação são o custo do consumo energético durante um banho, custo do volume de água perdido até que seja atingida a temperatura confortável de banho, os custos de aquisição, instalação e manutenção dos sistemas e os impactos ambientais gerados decorrentes da geração de energia.
3.1 Sistemas de Aquecimento Comparados
Nesta seção serão mostrados quais os modelos dos sistemas que foram comparados.
A avaliação do sistema de aquecimento elétrico o experimento foi feito numa residência. O chuveiro elétrico utilizado é da marca Lorenzetti®, com pressurizador, de potencia 5500 Watts (Figura 11).
Figura 11: Chuveiro elétrico utilizado
3.1.2 Chuveiro com Aquecedor a Gás
O experimento com o sistema de aquecimento a gás foi feito com um aquecedor de linha fabricante Rinnai®, modelo REU-157BRTE (Figura 12) e foi realizado numa residência. A distância entre o aquecedor e o ponto de uso onde foi realizado o experimento, era de, aproximadamente, 8 metros.
3.1.3 Chuveiro com Aquecedor Solar
Primeiramente o experimento do sistema de aquecimento solar foi realizado em uma pousada. Os dados obtidos levantaram duvidas devido a quantidade de água perdida durante o processo de aquecimento e devido ao tempo que a água demorou para aquecer. A fim de minimizar erros na análise desse sistema o experimento foi repetido em outro estabelecimento, dessa vez um hotel. Os dados obtidos no segundo local foram compatíveis com os dados obtidos no primeiro e foram consideradas as medidas do segundo local. Não foi possível ter acesso ao local onde o sistema estava instalado, mas foram coletadas informações quanto ao modelo do coletor. O modelo do coletor solar utilizado no hotel é similar ao mostrado na Figura 13. Estima-se uma distância de 20 metros entre o reservatório do sistema e o ponto de uso que foi realizado o experimento.
Figura 13: Coletor solar similar ao utilizado no hotel
3.2 Metodologia Para Medição da Perda de Água Durante o Aquecimento
Para avaliar a perda de água foram realizados experimentos com os três tipos de sistema de aquecimento. Os equipamentos utilizados para realização do experimento foram um termômetro (Figura 14), utilizado para medir a temperatura da água em cada sistema, um cronômetro, para medir o tempo que cada sistema levava para que a água atingisse uma temperatura confortável para o banho, um copo graduado (Figura 15), para calibragem do balde, um balde (Figura 16), para medir o volume de água perdido até que comece a cair água
na temperatura ideal e uma bacia (Figura 17), para fechar a entrada de água no balde no momento em que a água atingir a temperatura desejada.
Figura 14: Termômetro utilizado nos testes Figura 15: Copo graduado usado
Figura 16: Balde calibrado utilizado Figura 17: Bacia
O primeiro passo para realização do experimento foi a calibragem do balde. Foram feitas marcações a cada litro, como pode ser visto na Figura 16. Com o balde calibrado foram feitos os experimentos.
O experimento consistiu em posicionar o balde de forma que a água do chuveiro caisse dentro dele. Em seguida o registro do chuveiro é aberto e a partir desse instante o tempo é
cronometrado e a temperatura da água que cai do chuveiro é acompanhada pelo termômetro (Figura 18).
Figura 18: Coleta de dados
No momento em que a água atingiu uma temperatura confortável de banho o cronômetro foi pausado e a entrada de água no balde foi interrompida, fechando o balde com uma bacia. Dessa forma obtêm-se o tempo que a água demorou para atingir essa temperatura e o volume de água gasto durante esse tempo. Foram realizadas três medições para cada sistema de aquecimento. Entre cada medição houve um intervalo de 15 minutos. Os valores considerados na análise dos sistemas foram obtidos através de uma média aritmética dos dados dos experimentos.
3.3 Avaliação dos Custos do Consumo de Água Perdido Durante o Processo de Aquecimento
Para comparar os sistemas os dados obtidos no experimento foram convertidos em custos (Equação 1). Na cidade de Salvador, onde foram realizados todos os experimentos, a empresa concessionária é a Embasa, cuja taxa aplicada para o mês de dezembro de 2015 foi
de R$ 2,30/m³. Essa taxa considerada é para a faixa de consumo de até 10m³, pois as taxas cobradas variam e diminuem com o crescimento do consumo.
𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝑚3) × 𝑡𝑎𝑥𝑎 (𝑅$⁄𝑚3) (Equação 1)
3.4 Custo Total do Consumo de Energia Durante um Banho Doméstico
Para analisar o consumo energético de um banho doméstico foi considerado o tempo de banho de 8 minutos. Esse parâmetro foi utilizado para avaliação dos três tipos de sistema.
No caso do chuveiro elétrico o cálculo do consumo de energia é feito através da Equação 2:
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 =𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑐ℎ𝑢𝑣𝑒𝑖𝑟𝑜 (𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠)
1000 ×
𝑑𝑢𝑟𝑎çã𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑎𝑛ℎ𝑜 (𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠)
60 (Equação 2)
Na cidade de Salvador, o fornecimento de energia é feito pela concessionária Coelba, cuja taxa no mês de dezembro de 2015 utilizada para análise foi de R$ 0,562 / KWh. O custo do consumo de energia durante o banho pode ser obtido através da Equação 3:
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 (𝐾𝑊ℎ) × 𝑡𝑎𝑥𝑎 (𝑅$ 𝐾𝑊ℎ⁄ ) (Equação 3) Para o sistema de aquecimento a gás o combustível considerado para analisar o custo do consumo de energia durante o banho foi o GLP. Para obter esse custo é necessário saber qual a massa de gás utilizada durante esse tempo. Foi considerado o poder calorífico inferior do GLP de 11000 kcal/kg, eficiência do sistema 85%. Como mostrado na Equação 4, as grandezas volume e massa se relacionam através da densidade e, mostrado na Equação 5, a vazão volumétrica se relaciona com o volume, logo temos:
𝑉 =𝑚
𝑑 , onde m = massa, V = volume e d = densidade; (Equação 4)
𝑉𝑉 =𝑉
𝑡 , onde t = tempo e 𝑉𝑉 = vazão volumétrica (Equação 5)
𝑉𝑉 = 𝑚
𝑑×𝑡 (Equação 6)
Para determinação do consumo de gás, foi adotado que 85 % calor cedido pela queima do combustível é fornecido para aquecimento da água (rendimento do queimador = 85 %). Assim, a massa de gás combustível utilizada para aquecer a água durante o banho pode ser encontrada através deste balanço de energia (Equação 7):
𝑚𝐶× 𝑃𝐶𝐼 × ɳ = 𝑚 × 𝐶𝑝× 𝛥𝑇 (Equação 7)
Onde:
𝑚𝐶 = massa de combustível;
PCI = poder calorífico inferior do combustível; ɳ = eficiência do sistema;
𝐶𝑝 = calor específico da água;
ΔT = variação de temperatura da água.
O custo da massa de gás utilizada para o aquecimento pode ser obtido em função do valor do botijão de gás, através da equação 8:
𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑚𝐶×𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑏𝑜𝑡𝑖𝑗ã𝑜 (𝑅$)
13 𝑘𝑔 (Equação 8)
Quanto ao sistema de aquecimento solar, quando instalado sem um sistema de apoio, não há custo no consumo de energia, pois nesse caso o sistema é totalmente abastecido com energia solar.
Para comparar os custos dos sistemas, os valores foram convertidos para dólar através da equação 9. A taxa de R$4,06 foi obtida no dia 19/01/2016.
𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑚 𝑑𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜
𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑜 𝑑ó𝑙𝑎𝑟 (Equação 9)
A análise econômica leva em consideração o custo de implantação e o custo de manutenção. A infraestrutura adotada como parâmetro para o dimensionamento dos sistemas é uma residência com quatro moradores e dois pontos de uso para a região da cidade de Salvador na Bahia.
Para análise do custo de implantação dos sistemas de aquecimento foram considerados os custos dos equipamentos e o custo de instalação. Esses custos foram obtidos no mercado de Salvador em novembro de 2015. Os preços obtidos não levaram em conta variantes no local e no momento da instalação dos sistemas.
Para o sistema de aquecimento solar o reservatório que atende a demanda de quatro usuários é um reservatório com capacidade de 200 litros. Considera-se, em média, 50 litros por pessoa. Esse reservatório dispõe de um sistema auxiliar elétrico composto por uma resistência e um termostato. Para responder satisfatoriamente a essa demanda seriam necessários um coletor de dimensões dois metros por um metro ou dois coletores de dimensões um metro por um metro.
Para a instalação do sistema é necessário que a residência já disponha da tubulação de água quente e fria conectando o ponto de uso ao local onde ficará o reservatório. A empresa contratada para o serviço somente fará as conexões entre o sistema. O valor cobrado pelo serviço de instalação oscila de acordo com variantes do local onde o sistema será instalado.
A análise do sistema de aquecimento a gás foi feita com o aquecedor de passagem. A instalação desse sistema inclui a ligação do aquecedor com o combustível. Esse aquecedor aceita dois tipos de combustíveis, o gás natural e o GLP. Para utilização do gás natural é necessário verificar se o local da residência possui rede de distribuição de gás natural. Como, na Bahia, esse serviço de distribuição ainda encontra limitações, foi considerado o GLP como fonte de combustível. Nesse caso a ligação é feita entre o aquecedor e um botijão de gás ou a rede de gás, no caso de residências que possuam esse mecanismo. Para essa ligação, entre o aquecedor e a fonte do gás combustível, foi necessário adquirir um kit chamado de kit engate. Além disso, na instalação desse sistema foi preciso prever a necessidade de exaustão dos gases resultantes da combustão, os equipamentos necessários para essa finalidade compõem o kit chaminé. Assim como no sistema de aquecimento solar, nesse caso também é necessário que a residência já disponha de tubulações de água quente e fria que conectem o ponto de uso ao aquecedor. A empresa contratada para o serviço opera somente a instalação do aquecedor e a conexão entre o aquecedor e o gás combustível.
No caso dos sistemas de aquecimento a gás e solar a tubulação por onde passará a água aquecida deve ser apropriada para suportar altas temperaturas. Os materiais adequados para essa finalidade são ferro, cobre ou CPVC. No caso do CPVC, é necessária a instalação de uma termoválvula, pois esse material não suporta temperaturas acima de 80°C.
Para esses dois sistemas foi preciso analisar a pressão de entrada de água fria, em casos de baixa pressão foi preciso considerar o uso de um pressurizador no sistema. Outro fator importante é a possibilidade do uso de uma bomba em casos em que não se tenha uma boa diferença de altura entre o reservatório e o coletor, para o sistema de aquecimento solar, e caso a distancia entre o aquecedor e o ponto de uso seja grande, para o sistema de aquecimento a gás.
O sistema de aquecimento elétrico não necessita de tubulação de água quente, pois a água é aquecida instantaneamente na passagem pelo chuveiro. Além disso, não é necessária a contratação de uma empresa para efetuar a instalação do sistema. Trata-se de um serviço simples que consiste na instalação do chuveiro e seu ligamento a tomada destinada ao mesmo. Para o caso de residências com baixa pressão de água considera-se o uso de um chuveiro com pressurizador, ou a instalação de um pressurizador em um chuveiro comum.
Todos os equipamentos que podem ser necessários para instalação dos sistemas foram pesquisados. Assim como os custos de manutenção para cada sistema. Os valores foram obtidos por coleta de preço em triplicata. Os valores finais considerados na analise foram obtidos através de uma média aritmética dos valores obtidos na pesquisa.
Os dados referentes aos custos de manutenção foram obtidos nos mesmos locais onde foram pesquisados os custos de implantação. No caso do sistema a gás a manutenção é feita anualmente e o serviço consiste em verificar o funcionamento das peças e fazer a limpeza dos bicos e conexões. A manutenção do sistema de aquecimento solar também é feita anualmente e o serviço consiste em drenar e limpar as placas coletoras e verificar o funcionamento da resistência e do termostato. Segundo Raimo (2007), o chuveiro elétrico realiza 3300 operações com segurança, isso corresponde, em média, as operações de uma família de 5 pessoas por 2 anos.
Assim, consideramos no presente trabalho o tempo de vida útil de uma resistência 2 anos, sendo esse o período considerado para manutenção do sistema de aquecimento elétrico. Sendo o serviço apenas a troca da resistência e limpeza do chuveiro.