ESTER MONIQUE MENDES FEITOSA DE OLIVEIRA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA

BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

ESTER MONIQUE MENDES FEITOSA DE OLIVEIRA

ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DOS SISTEMAS DE

AQUECIMENTO DE ÁGUA: SOLAR, ELÉTRICO E A GÁS

CRUZ DAS ALMAS - BA

ESTER MONIQUE MENDES FEITOSA DE OLIVEIRA

ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA: SOLAR, ELÉTRICO E A GÁS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Universidade Federal do Recôncavo da Bahia como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas.

Orientador: Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira.

CRUZ DAS ALMAS – BA

ESTER MONIQUE MENDES FEITOSA DE OLIVEIRA

ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DOS SISTEMAS DE AQUECIMENTO DE ÁGUA: SOLAR, ELÉTRICO E A GÁS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Universidade Federal do Recôncavo da Bahia como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas.

Aprovado em ___/___/___

BANCA EXAMINADORA

________________________________________ Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira

________________________________________ Prof. Msc. Acbal Rucas Andrade Achy

________________________________________ Prof. Dr. Selma Cristina da Silva

Dedico este trabalho ao meu filho Isaac, razão da minha vida e responsável pela minha motivação e a minha mãe, minha fortaleza, sem a qual eu não conseguiria concluir este trabalho.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente aos meus pais por estarem sempre ao meu lado, me apoiando e me proporcionando o melhor, mesmo nos momentos de dificuldade.

Ao meu irmão, que sempre cuidou de mim, me orientou e me ajudou em todos os momentos.

Ao meu Orientador Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira pelo apoio, disposição e parceria durante todo esse tempo.

A Prof. Fernanda Nepomuceno pelo incentivo, orientação e colaboração desde sempre. Aos professores do curso que participaram e contribuíram para minha formação. Aos amigos Camila Vitória, Marros Marques e Danielle Maciel, que dividiram comigo os momentos de dificuldade.

“Conhece-te a ti mesmo, torna-te consciente de tua ignorância e será sábio.”

RESUMO

A energia é um insumo essencial para a sociedade. De um lado a população mundial, que vem diminuindo como um todo, mas em alguns países em desenvolvimento vem crescendo rapidamente, e de outro a sociedade moderna altamente dependente de recursos energéticos. A possibilidade do esgotamento dos recursos utilizados para geração de energia e o consumo expressivo do setor residencial levam a necessidade de uma análise sobre a demanda do chuveiro elétrico, que constitui um grande problema. Além de ser um aparelho de elevada potência, seu uso é intensificado em um curto intervalo de tempo refletindo em um uso excessivo da eletricidade para aquecimento de água. O presente trabalho visa comparar, através de experimentos, pesquisa de campo e revisão bibliográfica o uso de fontes alternativas de energia destinada ao aquecimento de água, objetivando propiciar uma diminuição de sobrecarga no sistema elétrico. Os parâmetros usados para comparação dos sistemas solar, elétrico e a gás foram fatores econômicos e ambientais. Foram verificados menores custos de implantação e manutenção para o chuveiro elétrico, contudo com maior consumo operacional. O aquecimento solar, embora não proporcione gasto energético e contribua para menores impactos ambientais, proporcionou para aumento do consumo de água durante o aquecimento até a temperatura de conforto. Foi constatado que a escolha do melhor sistema a ser utilizado, depende de diversos fatores como disponibilidade energética e do layout da instalação.

ABSTRACT

Energy is essential to modern society. The world's population, which has decreased as a whole, but in some developing countries is growing rapidly, and other modern society highly dependent on energy resources. The possibility of the exhaustion of resources used for power generation and the significant residential sector consumption lead to the need for an analysis of the electric shower demand, which is a importante problem. Besides being a device of high power, its use is intensified in a short period of time reflecting on excessive use of electricity for water heating. This study aims to compare, through experiments, field research and literature review the use of alternative sources of energy for heating water, aiming to provide a decrease of overload in the electrical system. The parameters used for comparison of solar electric systems and gas were economic and environmental factors. Lower deployment and maintenance costs heating for electric shower were verified, but with increased operational cost. Solar heating, though not provide energy expenditure and contribute to lower environmental impacts, provided increased water consumption during heating until comfort temperature. The choosing the best system, depends on several factors such as energy availability and layout.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Oferta interna de energia elétrica por fonte ... 16

Figura 2 – Chuveiro elétrico ... 17

Figura 3 – Potencial de utilização de energia solar na Terra ... 19

Figura 4 – Atlas Solarimétrico do Brasil ... 20

Figura 5 – Sistema solar de aquecimento com circulação forçada (sistema ativo) ... 22

Figura 6 – Sistema solar de aquecimento com circulação natural por termossifão (sistema passivo) ... 23

Figura 7 – Coletor solar plano ... 24

Figura 8 – Reservatório térmico ... 25

Figura 9 – Aquecedor de passagem ... 31

Figura 10 – Aquecedor por acumulação ... 32

Figura 11 – Chuveiro elétrico utilizado ... 37

Figura 12 – Aquecedor a gás utilizado nos testes ... 37

Figura 13 – Coletor solar semelhante ao utilizado ... 38

Figura 14 – Termômetro utilizado nos testes ... 39

Figura 15 – Copo graduado usado ... 39

Figura 16 – Balde calibrado usado ... 39

Figura 17 – Bacia para bloquear entrada de água no balde calibrado ... 39

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Componentes do gás natural ... 29

Tabela 2 – Dados dos experimentos ... 45

Tabela 3 – Custos da perda de água durante o aquecimento ... 45

Tabela 4 – Custos do consumo de energia de um banho ... 46

Tabela 5 – Custo de implantação SAE ... 48

Tabela 6 – Custo de implantação SAG ... 48

Tabela 7 – Custo de implantação SAS ... 48

Tabela 8 – Custo de equipamentos ... 49

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica BEN – Balanço Energético Nacional

CPVC – Policloreto de Vinila Clorado GLP – Gás Liquefeito de Petróleo

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia SAE – Sistema de Aquecimento Elétrico

SAG – Sistema de Aquecimento a Gás SAS – Sistema de Aquecimento Solar TUE – Tomadas de Uso Específico

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 13

1.1 – Objetivos ... 14

1.2 – Justificativa ... 15

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16

2.1 – Energia Elétrica e o Efeito Joule ... 16

2.1.1 – Sistema de Aquecimento Elétrico ... 17

2.1.2 – Instalação do Sistema ... 18

2.2 – A Energia Solar e o seu Potencial ... 18

2.2.1 – Sistema de Aquecimento Solar ... 21

Sistema Ativo ... 21

Sistema Passivo ... 22

2.2.2 – Componentes do Sistema de Aquecimento Solar ... 23

Coletor Solar ... 24

Reservatório Térmico ... 25

Sistema Hidráulico ... 25

Sistema de Apoio ... 26

2.2.3 – Instalação do Sistema ... 27

2.3 – Gás Combustível Como Fonte de Energia ... 27

2.3.1 – Sistema de Aquecimento a Gás ... 28 Gás Natural ... 28 Gás Liquefeito de Petróleo ... 29 Aquecedor de Passagem ... 30 Aquecedor de Acumulação ... 31 2.3.2 – Instalação do Sistema ... 32

2.4 – Impactos Ambientais Decorrentes da Geração de Energia ... 33

2.5 - Regulamentação dos Sistemas de Aquecimento ... 34

3. METODOLOGIA ... 36

3.1 – Sistemas de Aquecimento Comparados ... 36

3.1.1 – Chuveiro Elétrico ... 36

3.1.2 – Chuveiro com Aquecedor a Gás ... 37

3.1.3 – Chuveiro com Aquecedor Solar ... 38

3.3 –Avaliação dos Custos do Consumo de Água Perdido Durante o Processo de

Aquecimento ... 40

3.4 – Custo Total do Consumo de Energia Durante um Banho Doméstico ... 41

3.5 – Análise Econômica ... 43

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 45

4.1 – Comparação do Volume de Água Perdido e Custos Associados Durante Aquecimento da Água Para Cada Sistema ... 45

4.2 – Comparação dos Custos de Energia ... 46

4.3 – Custos de Implantação e Manutenção de Cada Sistema ... 47

5. CONCLUSÃO ... 50

5.1 Conclusões ... 50

5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros ... 51

1. INTRODUÇÃO

No Brasil o recurso natural predominante na geração de energia elétrica é a água. Cerca de 70% da oferta interna de energia elétrica é gerada através das hidrelétricas (Fonte: BEN, 2014). Apesar da grande capacidade de produção de energia através dessa fonte, existem diversas limitações relacionadas a esse tipo de geração de energia, além dos impactos ambientais e sociais causados pela instalação das hidrelétricas, a capacidade de geração de energia pode ficar comprometida pela falta de chuva.

Até meados dos anos 70, os derivados de petróleo eram usados para processos de aquecimento, porém com o significativo crescimento da geração de energia através das hidrelétricas no país e a dependência do petróleo importado, esse combustível foi substituído para tal finalidade (RAIMO, 2007).

A demanda por energia para suprir as necessidades do ser humano tem se tornado cada vez maior. Além do crescimento populacional, existe a evolução tecnológica e como consequência disso a sociedade fica cada vez mais dependente da utilização da energia elétrica. Segundo Lafay (2005) mesmo quando a economia se encontra estável, em países em desenvolvimento o consumo energético não para de crescer. O crescimento se dá entre 3 e 5% ao ano. Para suprir essa demanda, torna-se necessário a expansão do sistema energético com a construção de novas usinas e sistemas de transmissão. Gerando, então, a necessidade de grandes investimentos e longos prazos para conclusão das obras. Além disso, deve-se levar em consideração os impactos ambientais decorrentes dessas construções. Uma alternativa para a necessidade de expansão do sistema é a economia de energia elétrica. Quando isso é feito essa energia pode ser destinada a outro consumidor ou para prestação de outro serviço.

O consumo energético residencial é, aproximadamente, de 22 % do total da energia gerada pelo país e desse percentual aproximadamente 25 % dessa energia é utilizada para aquecimento de água para banho (Fonte: RAIMO, 2007). Logo, pouco mais de 6 % de toda energia gerada pelo país é utilizada para aquecer água. Além disso, esse consumo é concentrado em um determinado horário conhecido como horário de pico, que acontece das 18 às 21 h, causando uma sobrecarga no sistema energético nesse horário.

Diante dessa situação, deve-se levar em consideração a possibilidade de se utilizar outras fontes de energia para aquecimento. Uma das alternativas é o gás, que apesar de resolver o problema energético, não é uma solução sustentável, a menos que outras fontes primárias deste gás sejam obtidas a partir da decomposição da matéria orgânica de aterros sanitários ou estações de tratamento de esgoto ou por meio do processo de gaseificação da

biomassa. Outra alternativa é a energia solar, que além de contribuir para suprir parte da energia demandada, representa uma solução sustentável, embora apresente o problema intrínseco da intermitência. O Brasil apresenta grande potencial para geração desse tipo de energia, pois além de sua imensa extensão territorial, toda ela é favorecida com grande incidência direta de raios solares.

Os custos, de implantação e de operação, a fonte de energia, assim como o atendimento a demanda, são alguns dos fatores que diferenciam os sistemas de aquecimento de água (LAFAY, 2005). O principal fator que diferencia esses sistemas é a fonte de energia utilizada. Sendo assim, três alternativas de sistema de aquecimento são avaliadas no estudo desta monografia levando em consideração aspectos como impactos ambientais relacionados a geração de energia, consumo energético, viabilidade do sistema e aspectos econômicos.

1.1 Objetivos

 Objetivo Geral:

o Fazer uma análise comparativa teórico-experimental sobre o consumo energético, a perda de água, os impactos ambientais e os custos dos sistemas de aquecimento de água elétrico, solar e a gás.

 Objetivos Específicos:

o Fazer um levantamento bibliográfico para estudar o uso dos três tipos de energia e sua conversão em energia térmica, identificar os componentes dos três sistemas de aquecimento, assim como suas formas de instalação e seu funcionamento, estudar as normas e requisitos de segurança para cada tipo de sistema de aquecimento e verificar os impactos ambientais decorrentes da geração de energia;

o Comparar o volume perdido de água em cada sistema durante o processo de aquecimento;

o Verificar o consumo energético de cada sistema de aquecimento para banho doméstico;

o Obter os custos do volume perdido de água durante o processo de aquecimento;

o Levantar os custos relacionados a equipamentos, instalação e manutenção de cada sistema de aquecimento;

1.2 Justificativa

A grande maioria das fontes de energia utilizadas no Brasil são consideradas não renováveis, ou seja, um dia vão se esgotar da natureza. Além disso, o país ainda apresenta grandes problemas estruturais. Entre eles está o fato de que uma parcela da população ainda vive sem acesso à energia elétrica. Com isso, torna-se necessário o estudo do uso de fontes alternativas de energia visando solucionar esses problemas.

O chuveiro elétrico, equipamento amplamente utilizado no Brasil, teve seu uso difundido devido ao fato de que no passado havia abundancia na geração hidroelétrica e o petróleo importado tinha um alto custo. Porém, hoje o cenário é diferente e a eletrotermia, antes incentivada, agora representa um ônus para o setor elétrico do país (SANTOS, 2001 apud CHAGURI JUNIOR, 2009).

O setor residencial consome cerca de um quarto da energia gerada em todo o país. Sendo o chuveiro elétrico o equipamento responsável pela maior parte do consumo de energia numa residência, uma grande parcela da energia consumida pelo país é destinada ao aquecimento de água. Esse fato gera uma sobrecarga no sistema elétrico principalmente no horário de pico. Nesse período o consumo aumenta significativamente se comparado ao consumo durante o resto do dia.

Outro fator importante é que a energia elétrica é uma energia nobre, pois esse tipo de energia pode ser utilizada para outras diversas finalidades mais nobres. Diante disso e considerando sua grande extensão territorial, mesmo em regiões com baixo índice de insolação, o Brasil pode ter grande potencial para utilização da energia solar. O Sol é uma fonte limpa, praticamente inesgotável, com alto potencial para aquecimento, sendo uma fonte de energia que não consome nenhum recurso fóssil. Outra alternativa seria o gás GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) ou o gás natural, que apesar de ser uma fonte não renovável, representa uma alternativa.

Diante desses fatos, a presente monografia busca esclarecer as vantagens e desvantagens do uso de cada sistema, proporcionando o esclarecimento de diversos aspectos, permitindo uma escolha mais consciente do sistema a ser utilizado pelo usuário e visando minimizar problemas relacionados ao consumo de energia elétrica do país.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Energia Elétrica e o Efeito Joule

A energia elétrica é uma das formas de energia mais utilizadas no mundo. Sua produção é baseada na criação de diferenças de potencial elétrico entre dois pontos, possibilitando o estabelecimento de uma corrente elétrica. Insumo essencial para o desenvolvimento, à energia elétrica é utilizada para produzir luz, movimento, calor ou qualquer outro tipo de transformação de energia.

A energia elétrica não é uma energia economicamente viável de ser armazenada. Segundo Lafay (2005) a energia elétrica deve ser gerada no mesmo momento em que for solicitada ou deve ser transformada em outra forma de energia para ser armazenada.

Sendo o Brasil um dos países mais ricos do mundo em recursos hídricos, esta fonte primária de energia predomina no país até o momento (Figura 1).

Figura 1 - Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte

Fonte: BNE, 2014

Normalmente as usinas que geram energia elétrica são construídas longe dos pontos de consumo. Logo, para que a população, o comercio e as indústrias tenham acesso à energia é necessária uma rede de distribuição que começa nas usinas e vai ate os pontos de consumo. Esse fator dificulta o acesso à energia em alguns locais, geralmente comunidades rurais.

A energia elétrica pode ser transformada em outras formas de energia, como energia luminosa, mecânica e térmica. Quando a energia elétrica se transforma em energia térmica,

acontece um fenômeno conhecido como efeito Joule. Sabendo que uma corrente elétrica é constituída por elétrons que se movem ao longo de um fio condutor, o efeito Joule acontece devido à colisão dos elétrons da corrente, gerando um aumento no seu estado de agitação e, consequentemente, um aumento na sua temperatura.

2.1.1 Sistema de Aquecimento Elétrico (SAE)

O SAE converte energia elétrica em energia térmica. Este tipo de sistema aquece a água gradualmente à medida que passa pelo chuveiro através de um resistor que fica instalada no seu interior. Segundo Raimo (2007) o aquecimento do resistor acontece devido a circulação de corrente e esse fenômeno é conhecido como efeito Joule. O contato da água com o resistor permite a transferência de calor.

Esse tipo de sistema de aquecimento tem uma composição bastante simples. Basicamente, se resume a um chuveiro elétrico e a rede elétrica que alimentará o chuveiro. O chuveiro é equipamento de terminação de rede de água, composto de dois resistores e um diafragma de borracha. Um resistor é um fio espiralado feito de metais que aquece pelo efeito Joule quando há passagem de corrente elétrica (Figura 2).

Figura 2: Chuveiro Elétrico

Fonte: PORTALMETÁLICA, 2016

A grande maioria dos chuveiros elétricos possuem a opção de selecionar as posições de temperatura (quente, morno ou frio) (MATAJS, 1997).

Independente da vazão do chuveiro, quando o aquecimento é acionado o consumo elétrico é o mesmo. No caso de toda energia térmica não ser aproveitada, o calor não absorvido é dissipado (MOREIRA, 1985 apud BAPTISTA, 2006).

O chuveiro elétrico, apesar de possuir poucas opções de temperatura, é um equipamento de alta eficiência e poucas perdas térmicas, pois a água é aquecida no próprio ponto de consumo. Esse equipamento apresenta riscos de descargas elétricas e não atinge altas temperaturas com alta vazão (MATAJS e FAGÁ, 1996 apud BAPTISTA, 2006).

Como é um aparelho fácil de ser instalado e possui baixo custo de aquisição, o chuveiro elétrico pode ser tido como um aparelho de fácil acesso para população brasileira (RAIMO, 2007). Segundo Chaguri Junior (2009), esse equipamento é muito importante, pois permite o acesso á água quente para uma grande parcela da população do Brasil, incluindo as classes sociais de menor renda.

2.1.2 Instalação do Sistema

A instalação do sistema elétrico para aquecimento é bastante simples. O chuveiro deve ser instalado no local desejado e os fios devem ser conectados a tomada destinada para o mesmo. Segundo Raimo (2007), o aquecedor elétrico é instalado em tomadas de uso específico (TUE), que são tomadas especificas para equipamentos de alta potência, como é o caso do chuveiro.

A instalação do chuveiro deve prever a utilização de um fio terra para prevenção de choques elétricos. Esse fio deve ter impedância de no máximo 1ohm e sua obtenção é determinada pela norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR-5410 (MATAJS, 1997).

Quanto às instalações hidráulicas, em casos em que o abastecimento é feito com água da rua ou quando o reservatório de água ficar a uma altura superior a oito metros é indicado o uso de um redutor de pressão (MATAJS, 1997).

2.2 A Energia Solar e o seu Potencial

O Sol, maior fonte de luz e vida, é a estrela ao redor da qual giram a Terra e os demais planetas do nosso sistema. Sua geração de energia é através de reações termonucleares que acontecem no

interior do seu núcleo. A Terra, que tem na radiação solar sua principal fonte de abastecimento energético, recebe uma pequena porção dessa energia.

Desde os primórdios a humanidade é dependente do Sol. Essa estrela, provedora de energia, é responsável pelo ciclo das águas que abastecem as represas das hidrelétricas, pela temperatura da atmosfera, pela geração de combustíveis fosseis que são obtidos a partir de resíduos orgânicos, entre outros exemplos (REIS, 2009).

A capacidade de produção energética do Sol supera toda energia usada desde o começo dos tempos em apenas um segundo. Esse fato demonstra o quão grande é a capacidade produtiva desse astro, que irradia energia incessantemente. Essa energia pode ser usada para as mais variadas finalidades como aquecimento de água e geração de energia, por exemplo (SÁLES, 2008).

Segundo a ANEEL (2010), a latitude, a hora do dia, o dia do ano e as condições atmosféricas são fatores que influenciam diretamente na radiação solar incidente sobre a Terra. Esses fatores são influenciados diretamente pelos movimentos de rotação e translação do planeta, conforme ilustrado na Figura 3.

Figura 3: Potencial de utilização de energia solar na Terra

Fonte: SÀLES, 2008

O Brasil tem uma média anual de 280 dias de sol, o que pode possibilitar retornos relativamente rápidos e garantidos para os consumidores de aquecedores de água solares, e a energia solar que incide no Brasil em um só ano é de 15 trilhões de MWh, correspondente a 50 mil vezes o consumo nacional de energia elétrica registrado em 1999 (RODRIGUES; MATAJS; 2004, p. 43).

Além de sua grande extensão territorial, o Brasil é privilegiado por sua posição geográfica, recebendo uma grande quantidade de irradiação solar durante o ano inteiro. Mesmo as regiões com menor incidência de irradiação solar apresentam grande potencial de aproveitamento (Figura 4).

Figura 4: Atlas Solarimétrico do Brasil

Fonte: ANEEL, 2010

A radiação solar absorvida pode ser aproveitada através da energia fotovoltaica ou fototérmica. A primeira converte a energia solar em energia elétrica e a segunda refere-se a conversão de energia solar em calor, geralmente utilizada para aquecimento de fluidos.

A substituição da eletricidade pela energia solar para aquecimento de água passa a ser uma forma de economia de energia elétrica. Essa economia gera diversos impactos como o retardamento da necessidade de investir em novos empreendimentos para geração de

eletricidade e a consequente diminuição dos impactos ambientais causados por essa geração de energia, permitindo assim um planejamento mais flexível da expansão dos sistemas de produção de eletricidade (MADUREIRA, 1996 apud BAPTISTA, 2006).

2.2.1 Sistema de Aquecimento Solar (SAS)

A utilização de fontes alternativas de energia vem se tornando uma opção cada vez mais discutida nos dias atuais. Assim, a utilização de sistemas de aquecimento de água com energia solar vem ganhando espaço e tem sido cogitado como uma alternativa para enfrentar os desafios da expansão de oferta de energia. Esse tipo de sistema de aquecimento necessita de exposição direta ao Sol e, devido à instabilidade da irradiação solar, pode necessitar também de um sistema de apoio, que possa operar em dias de chuva ou a noite, dependendo do tipo de sistema utilizado. Esse fator pode tornar o custo de operação desse sistema variável.

No SAE a água é aquecida quando a irradiação solar é absorvida por uma placa absorvedora, componente do coletor solar (POZZEBON, 2009). Esse sistema de aquecimento pode ser classificado, quanto ao tipo de circulação como passivo e ativo. Segundo Lima (2003), quando a diferença de densidade entre a água aquecida e a água fria conduz a água quente para o reservatório o sistema é classificado como passivo, quando o fluxo é causado por bombeamento, é classificado como sistema ativo.

Sistema Ativo

Este sistema utiliza uma bomba para forçar a circulação da água (Figura 5), o que pode, ou não, aumentar o volume da água aquecida. A utilização dessa bomba depende de outra fonte de energia.

Para que a bomba não seja acionada de forma aleatória, ou não fique ligada continuamente, é viável a utilização de um termostato para controlar o acionamento da bomba. Esse termostato é capaz de identificar diferenças de temperaturas entre o coletor e o reservatório. É necessário estabelecer um valor de referencia da diferença de temperaturas que servirá como parâmetro para ligamento e desligamento da bomba (POZZEBON, 2009).

Figura 5: Sistema solar de aquecimento com circulação forçada (sistema ativo)

Fonte: AITA, 2006

Em locais onde o clima atinge temperaturas mais baixas, havendo probabilidade de congelamento da água, é necessário o uso de um fluido refrigerante que tem como função transferir para água o calor recebido pelo coletor. Esse tipo de sistema é chamado de ativo indireto. Esse e outros acessórios podem tornar esse sistema mais caro quando comparado ao sistema passivo (POZZEBON, 2009).

Em relação ao sistema passivo, o sistema ativo tem maior flexibilidade em relação ao local onde será instalado o reservatório, porém o custo pode ser maior devido a necessidade de outra fonte de energia para alimentar dispositivos como bombas e sensores (LIMA, 2003).

Sistema Passivo

Devido ao clima do Brasil, esse tipo de sistema (Figura 6) é o mais utilizado (POZZEBON, 2009). A água circula naturalmente devido à diferença de densidade entre a água quente, aquecida pela radiação solar, e a água fria que entra pelo depósito. Este tipo de sistema é econômico, porém pode apresentar menor eficiência em relação ao sistema com circulação forçada.

Figura 6: Sistema passivo

Fonte: AITA, 2006

Assim como no sistema ativo, nesse tipo de sistema também ocorre o sistema passivo indireto, com a utilização do fluido refrigerante objetivando evitar o congelamento para as mesmas condições (POZZEBON, 2009).

Esse tipo de sistema possui algumas limitações. Como a água circula pela diferença de densidade, o reservatório deve estar sempre elevado em relação ao coletor, com o proposito de evitar que a água escoe no sentido contrario. Essa particularidade pode gerar contratempos no momento de escolher o local onde ficarão os equipamentos (SÁLES, 2008).

A capacidade de aquecimento para esse tipo de sistema é restringida para até 1500 litros de água por dia. Além dessa limitação esse sistema pode apresentar uma circulação lenta da água que vai do reservatório para o coletor, podendo gerar a necessidade do uso do sistema auxiliar de aquecimento. Outro fator importante nesse tipo de sistema é que o diâmetro da tubulação entre o reservatório e o coletor deve ser estabelecido em função da distancia entre o coletor e o reservatório e da área coletora (MOREIRA, 1985 apud BAPTISTA, 2006).

2.2.2 Componentes do Sistema de Aquecimento Solar

Os componentes do sistema de aquecimento solar devem ser feitos com materiais que suportem temperaturas baixas e temperaturas elevadas. Além disso, o material utilizado deve prever a possibilidade de não circulação de fluido nos equipamentos, que devem estar preparados para exercer suas funções sob as piores condições (SÁLES, 2008).

 Coletor solar;

 Reservatório térmico;  Sistema hidráulico;  Sistema de apoio.

Coletor Solar

O coletor solar é um equipamento responsável pela captação da irradiação solar e a conversão dessa energia em calor utilizável (LIMA, 2003).

Segundo Lafay (2005) existem dois tipos de coletores, os planos e os de concentração. O coletor de concentração converge a energia solar para um absorvedor com a finalidade de atingir temperaturas mais elevadas. Esse tipo de coletor deve se movimentar de acordo com o movimento do Sol. É um equipamento complexo e de alto custo.

Quando o sistema requer temperaturas mais baixas comumente é utilizado o coletor solar plano. Segundo Lafay (2005) esse coletor tem cobertura transparente, possui isolamento térmico e é composto por uma placa absorvedora e uma tubulação por onde passa o fluido a ser aquecido (ver figura 7). Além disso, esse equipamento praticamente não necessita de manutenção.

Figura 7: Coletor solar plano

Reservatório Térmico

O sistema de aquecimento solar só pode ser um sistema de acumulação, ou seja, a água deve ser aquecida anteriormente ao período de consumo e deve ficar armazenada até esse momento (LIMA, 2003). Segundo Sáles (2008) o reservatório onde a água quente fica depositada opera como uma garrafa térmica, tendo como função armazenar a energia produzida pelos coletores.

Um reservatório térmico é um tanque feito de um material resistente à corrosão (Figura 8) que possui uma camada isolante e uma capa para a proteção do isolante (SÁLES, 2008).

De preferência deve ser instalado sob o telhado e o mais próximo possível das placas coletoras para evitar perda de eficiência do sistema, mas é fundamental que estejam sempre em nível um pouco elevado em relação a elas.

Figura 8 - Reservatório Térmico

Fonte: SEMPRESUSTENTÁVEL, 2016

Sistema Hidráulico

Tubulação que conecta os coletores solares ao reservatório. A água fria circula por esse sistema em direção ao coletor, e depois de circular pelo coletor, a água aquecida vai para o reservatório térmico.

Essas tubulações devem ser capazes de suportar fluidos em alta temperatura (cerca de 100°C). Geralmente, por ter um custo relativamente baixo e ter alta resistência à corrosão, o cobre é o material mais utilizado no sistema hidráulico (POZZEBON, 2009). Além do cobre,

existem outros materiais que podem ser utilizados para essa finalidade, como o ferro e o CPVC (policloreto de vinila clorado).

O ferro possui menor custo quando comparado com o cobre, no entanto possui vida útil curta. Necessita de isolamento térmico e suporta altíssimas temperaturas. Quanto ao CPVC, ele é um termoplástico semelhante ao PVC que possui menor custo em relação ao cobre e ao ferro, tem vida útil longa e não necessita de isolamento térmico, contudo ele não suporta temperaturas acima de 80°C, necessitando a instalação de uma termoválvula para impedir que a água quente ultrapasse essa temperatura. Essa termoválvula deve ser instalada entre o aquecedor e a tubulação de água quente e permite a mistura de água quente com água fria.

Sistema de Apoio

O sistema de aquecimento solar necessita de uma fonte energética auxiliar para os dias de baixa irradiação ou para a noite. Esse sistema de apoio pode ser elétrico ou a gás e tem como função garantir que em qualquer situação o usuário tenha a água numa temperatura confortável.

O sistema de apoio tem a função de manter a demanda de água quente devidamente atendida. É acionado quando a radiação solar é insuficiente para que a água esteja na temperatura adequada. O acionamento desse sistema gera custos, por isso é de extrema importância o correto dimensionamento do sistema de aquecimento solar para evitar a elevação do consumo de energia desse sistema (FARIA, 2007).

Segundo Lima (2003), o sistema de apoio deve ser dimensionado para atender toda a demanda de água quente, isto é, o sistema de aquecimento solar deve ser superdimensionado já que as placas coletoras e o reservatório devem ser dimensionados para operar na pior situação.

Quando o sistema elétrico é utilizado como sistema de apoio o consumo de energia elétrica é função da capacidade do reservatório, da área coletora e do consumo de água quente. Um fator que pode resultar no comprometimento da eficiência dos coletores é o tamanho do reservatório. Reservatórios menores resultam em temperaturas mais altas podendo comprometer a eficiência dos coletores, levando ao acionamento do sistema de apoio e consequentemente um aumento do consumo de energia desse sistema (VIEIRA, 2001 apud POZZEBON, 2009).

2.2.3 Instalação do Sistema

Alguns critérios são necessários para a correta instalação dos sistemas de aquecimento solares. Primeiramente deve-se verificar se existem tubulações apropriadas de água quente e água fria, qual a área disponível para instalação dos equipamentos, estudar as condições do clima do local e analisar a possibilidade de sombra no local onde ficarão os coletores. Deve-se também verificar o fornecimento dos equipamentos que serão utilizados, os mesmos devem possuir certificado no INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia). O sistema deve ser dimensionado corretamente para atender a demanda exigida e os instaladores e projetistas devem analisar qual o posicionamento dos coletores e o seu grau de inclinação para o melhor desempenho do sistema (SALES, 2008).

A trajetória do Sol é de leste para oeste, portanto no hemisfério sul, para que receba irradiação solar por mais tempo, o coletor deve estar direcionado para o Norte (SALES, 2008). Segundo Baptista (2006) a latitude e as condições do clima local são os fatores que definem a inclinação dos coletores.

Para um bom rendimento do sistema durante todo o ano, os coletores devem ser posicionados com inclinação igual à latitude local + 15°. Esse posicionamento prevê o aumento do consumo de água quente nas épocas mais frias do ano, quando a radiação solar é menor. Outro fator importante é a verificação para que os coletores não façam sombra uns nos outros (SALES, 2008).

Quando são instalados mais coletores do que é estabelecido pela demanda, a água será aquecida mais rapidamente e sua temperatura pode se elevar bastante. Quanto maior a temperatura da água menor será o volume de água quente utilizada na mistura com água fria. Além disso, ter condições para que a água atinja temperaturas elevadas pode ser interessante para os dias de chuva ou baixa insolação. Diferente dos outros sistemas de aquecimento, no aquecimento solar o volume do reservatório deve ser igual ao consumo diário de água quente (BAPTISTA, 2006).

Um sistema que é previsto e projetado antes da construção tem o custo de investimento reduzido. Esse investimento pode chegar a menos de 5% do custo final da edificação (SANTOS e ROSA, 2002 apud BAPTISTA, 2006).

Ultimamente o consumo do gás combustível vem crescendo consideravelmente. Esse tipo de energia vem se mostrando uma opção competitiva em relação à eletricidade, tornando-se uma alternativa ao chuveiro elétrico para aquecimento de água. Isso tornando-se deve ao fato de que o equipamento para aquecimento a gás é de fácil controle para os consumidores (SANTOS, 2001 apud CHAGURI JUNIOR, 2009).

2.3.1 Sistema de Aquecimento a Gás (SAG)

Os aquecedores a gás são abastecidos com uma variedade de fontes energéticas, podendo utilizar o gás natural e o GLP (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Gás Natural

O gás natural é constituído pelo aquecimento de matérias orgânicas depositadas em profundidades ao longo dos anos pelo aposento da crosta terrestre. Esse combustível fóssil pode ou não estar associado ao petróleo (LAFAY, 2005). O gás associado “é aquele existente em reservatórios, em que o plano de explotação prevê a produção de óleo como principal energético” (MAIA, 2007). O gás não-associado “é aquele existente em reservatórios, em que o plano de explotação prevê a produção de gás como principal energético” (MAIA, 2007).

A composição do gás natural (Tabela 1) muda em função da localização do reservatório, do tipo de solo, entre outros fatores. Segundo Maia (2007), o gás natural é formado por duas partes, uma parte são os hidrocarbonetos e a outra parte de não hidrocarbonetos que são chamados de contaminantes. Essa mistura se encontra na fase gasosa. No Brasil, na região Nordeste, o gás natural tem em sua composição no mínimo 86% de metano, no máximo 10% de etano e no máximo 3% de propano (ANP, 2002).

Apesar de ser um combustível compatível para aquecimento do ponto de vista termodinâmico, o gás natural é pouco utilizado pelo setor residencial para obtenção de calor, sendo comumente utilizado para cocção (RAIMO, 2007). No Brasil o mercado residencial consome somente cerca de 2% do total do gás (CHAGURI JUNIOR, 2009).

A utilização da energia elétrica para processos térmicos custa caro para o país. Por isso o setor residencial representa um grande mercado possível para consumo do gás natural, diferenciando a matriz energética do Brasil. Uma vez que a população tenha acesso ao gás natural ele poderá ser usado de diversas formas e diminuir significativamente o consumo de

energia elétrica. O ideal é que a eletrotermia seja substituída pelo uso do gás natural nos processos térmicos (SANTOS, 2002 apud RAIMO, 2007).

Tabela 1: Componentes do gás natural

Fonte: MAIA, 2007

Não Hidrocarbonetos Hidrocarbonetos

𝑁2 Nitrogênio 𝐶𝐻4 (𝐶1) Metano

𝐶𝑂2 Dióxido de carbono (gás carbônico) 𝐶2𝐻6 (𝐶2) Etano

𝐻₂𝑂 Água 𝐶₃𝐻₈ (𝐶₃) Propano

𝐻2𝑆 Gás sulfídrico 𝐶4𝐻10 (𝑖𝐶4) Isobutano

𝐶𝑂𝑆 Sulfeto de carbonila (𝑛𝐶₄) Normalbutano 𝐶𝑆₂ Dissulfeto de carbono 𝐶₅𝐻₁₂ (𝑖𝐶₅) Isopentano

(𝑛𝐶₅) Normalpentano 𝐶₆𝐻₁₄ (𝐶₆) Hexano 𝐶₇𝐻₁₆ (𝐶₇) Heptano 𝐶₈𝐻₁₈ (𝐶8) Octano 𝐶₉𝐻₂₀ (𝐶9) Nonano 𝐶₁₀𝐻₂₂ (𝐶10) Decano Gás Liquefeito de Petróleo

O GLP é uma substância asfixiante quando inalado em altas concentrações. Sob pressão atmosférica e temperatura ambiente, ele é um produto gasoso, inodoro e inflamável. Esse gás pode ser obtido das frações mais pesadas de gás natural ou das frações mais leves do petróleo (LAFAY, 2005).

Esse combustível é formado pela mistura de hidrocarbonetos com 3 e 4 átomos de carbono com ligação simples, conhecidos como butano e propano. A maior parcela do GLP consumido no Brasil é derivado do refino do petróleo (LAFAY, 2005).

Aproximadamente 90% do consumo do GLP é destinado para cocção de alimentos. Esse gás é conhecido como “gás de cozinha”. O GLP também é utilizado como combustível em fábricas e como combustível para empilhadeiras (LAFAY, 2005).

Segundo Raimo (2007) a rede de abastecimento de gás dos aquecedores deve ser, preferencialmente, de cobre rígido e flexível. O combustível deve chegar com poder calorífero e pressão pertinente ao seu bom desempenho. No queimador o gás entra em contato com o ar e ocorre a reação de combustão e a maior parte do calor produzido é transferido para água pelo trocador.

Segundo Lafay (2005) a eficiência da transferência de calor entre a câmara de combustão e a água dos sistemas de aquecimento a gás é de 80% para aquecedores de passagem e 85% para aquecedores de acumulação. Esses sistemas são muito utilizados no país e, se atendidos os requisitos de segurança, são seguros.

A instalação do sistema de aquecimento a gás exige uma rede de distribuição, dispositivos, acessórios e componentes (CHAGURI JUNIOR, 2009). Os aquecedores a gás podem ser de passagem ou de acumulação. Os dois diferem entre si pela presença de reservatório e no trocador de calor.

Aquecedor de Passagem

O aquecedor de passagem (ver figura 9) é fácil de ser implantado em residências e ocupa pouco espaço em relação ao aquecedor de acumulação. Por isso esse tipo de sistema foi propagado intensamente no mercado atual (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Os aquecedores de passagem ligam quando há passagem de água pela tubulação que acontece quando o ponto de consumo é acionado e desligam quando o ponto de consumo é fechado, ou seja, quando a circulação de água pela tubulação para. Esses equipamentos atendem a uma demanda imediata, no momento da solicitação (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Esse aparelho opera com uma pressão mínima na entrada de água fria, podendo oscilar de 5 a 20 mca, o que torna sua aplicação em redes com baixa pressão trabalhosa. Nesses casos a pressurização pode ser uma solução viável (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Segundo Chaguri Junior (2009) os aquecedores de passagem podem ser aplicados em sistemas coletivos, desde que sejam atendidas suas exigências em relação a demanda do consumo de água.

Figura 9: Aquecedor de passagem

Fonte: CASADAMANUTENÇÃOORINNAI, 2015

Aquecedor de Acumulação

Esse tipo de sistema, mostrado na figura 10, é composto por um aquecedor, um reservatório e acessórios. A água aquecida que fica armazenada no reservatório é acessível para os pontos de consumo a qualquer momento, suprindo as necessidades nos períodos de maior demanda (CHAGURI JUNIOR, 2009).

O dimensionamento desse sistema é feito de acordo com a demanda exigida. O que especifica a demanda que será suprida é o tamanho do reservatório e a potencia do aquecedor utilizado. É possível para esse sistema atender desde um único ponto de uso, com um único usuário até uma edificação com diversos pontos de uso (FOSSA, 2008 apud CHAGURI JUNIOR, 2009).

Um fluido aquecido tem densidade menor que um fluido frio. Assim quando colocados em um recipiente o fluido aquecido fica na parte superior. Por isso no reservatório do sistema de acumulação tem uma entrada para água fria na parte de baixo e uma saída para água quente na parte de cima. Ou seja, a água q vai para os pontos de consumo no momento da solicitação é a água que se encontra na maior temperatura do reservatório (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Os reservatórios desses sistemas são isolados termicamente a fim de evitar trocas de energia com o ambiente externo e mantendo assim a água quente. Normalmente utiliza-se poliuretano expandido ou lã de vidro para realizar o isolamento térmico desse recipiente (CHAGURI JUNIOR, 2009).

Figura 10: Aquecedor por acumulação

Fonte: LEROYMERLIN, 2015

2.3.2 Instalação do Sistema

Entre os mais variados modelos de aquecedores a gás, comumente são usados modelos que necessitam de dutos para exaustão dos gases tóxicos que são lançados pela combustão do gás combustível. Normalmente esses equipamentos são alocados na área de serviço da residência, porém o ideal é que e edificação já tenha esse duto para exaustão previsto em projeto (RAIMO, 2007).

A norma NBR 13103 delimita que os aquecedores de passagem sejam instalados no banheiro ou em local próximo ao ponto de consumo. Com essa resolução em alguns casos de grande demanda e longas distancias entre os pontos de uso e o aquecedor a solução é o uso de um sistema de aquecimento central privado, com sistemas de acumulação na área de serviço ou sistemas elétricos, instantâneos ou de acumulação, próximos ao ponto de consumo (CHAGURI JUNIOR, 2009).

A demanda do sistema de aquecimento, as características desse sistema, os custos e a forma da edificação onde o sistema vai ser instalado são fatores que influenciam no projeto da infraestrutura para o abastecimento do gás combustível para o aquecedor. Esse abastecimento deve ser projetado para suprir o sistema nos instantes de maior demanda (CHAGURI JUNIOR, 2009).

2.4 Impactos Ambientais Decorrentes da Geração de Energia

Para análise dos impactos ambientais decorrentes da geração de energia os dados foram coletados através de revisão bibliográfica.

No Brasil a maior parte da energia elétrica gerada é através das hidrelétricas. Portanto a análise dos impactos ambientais decorrentes da geração desse tipo de energia foi feita considerando essa forma de geração.

Normalmente quando uma hidrelétrica é construída é necessário que se faça o desvio do leito do rio. Esse desvio pode ser feito na fase em que a hidrelétrica está sendo construída, causando um impacto momentâneo no ecossistema local ou, caso a água precise atravessar a barragem, o leito original é alagado para formação do reservatório. Visando suprir a demanda são projetados reservatórios cada vez maiores (GUENA, 2007).

Quanto maior o reservatório, maior são os impactos causados. A formação desse lago resultará na perda de áreas férteis e da reserva biológica. Além disso, esse lago pode atingir áreas urbanas ou patrimônios arqueológicos, podendo haver a necessidade de remoção da população local para que a região seja completamente submersa (GUENA, 2007).

É impossível remover completamente toda a matéria orgânica da região que será submersa. A vegetação pode ser removida parcialmente ou não. O fato é que toda matéria orgânica que for submersa sofrerá uma decomposição anaeróbica emitindo metano, nitrogênio e dióxido de carbono, que são os principais gases responsáveis pelo efeito estufa. A quantidade desses gases que será produzida varia em função do tipo de vegetação existente na região alagada. Imediatamente após o alagamento da região é produzido gás sulfídrico que tem um odor forte, levando ao afastamento de animais aquáticos e terrestres (SALVARLI, 2006 apud GUENA, 2007). Além disso, esse alagamento pode alterar o pH da água e/ou a quantidade de oxigênio presente nela. Isso leva a uma alteração na reprodução e na quantidade de espécies presentes. A decomposição da matéria orgânica pode levar ao surgimento de algas provocando o surgimento de vetores causadores de doenças e a eutrofização do corpo d’água (PALANCAR, ARAGÓN, SÁNCHEZ & GIL, 2006 apud GUENA, 2007).

Segundo Fearnside (2005 apud GUENA, 2007) o lago provoca um aumento na evaporação da água causando uma alteração no microclima e na temperatura da região. Essas alterações podem atingir a fauna local causando um desequilíbrio do ecossistema aquático.

Além de acarretar a perda de habitats e biodiversidade, a construção de uma hidrelétrica também pode alterar a economia local. No caso em que as represas são

construídas em reservas indígenas, esses povos podem ter seus hábitos e cultura postos em risco devido a populações próximas que podem ser atraídas para seus territórios (ALMEIDA, MOURA, MARQUES & ALMEIDA, 2005 apud GUENA, 2007).

Como no presente trabalho o gás combustível considerado foi o GLP, a análise dos impactos ambientais foi feita considerando a geração e combustão desse combustível.

Segundo Lafay (2005), a maior parte do GLP, derivado composto da mistura de hidrocarbonetos, consumido no Brasil é proveniente do refino do petróleo. A primeira etapa do processo de refino do petróleo é a destilação atmosférica, nessa etapa são extraídos os gases combustíveis, como o GLP.

Segundo Mariano (2001), mesmo sabendo da importância do petróleo para a sociedade e apesar dos avanços tecnológicos que ocorreram no último século, as refinarias são grandes indústrias degradadoras do meio ambiente, pois geram bastante poluição. As refinarias produzem resíduos sólidos de difícil tratamento e grandes quantidades de despejos líquidos, além disso, liberam gases nocivos e consomem grande quantidade de água e energia.

Apesar dos grandes impactos ambientais causados pelas refinarias de petróleo, responsáveis por gerar a maior parte do GLP consumido no Brasil, o GLP não produz resíduos sólidos em sua queima e libera menos quantidade de gás carbônico e outros gases de efeito estufa quando comparado com outros combustíveis fosseis como o carvão. Além disso, o GLP possui elevado poder calorifico apresentando grande eficiência no seu processo de combustão. A queima desse gás combustível é considerada limpa e ele é considerado um combustível de baixo impacto ambiental, levando em consideração apenas seu uso e não o seu processo de obtenção.

2.5 Regulamentação dos Sistemas de Aquecimento

A ABNT é a instituição que define os parâmetros de funcionamento e segurança dos sistemas de aquecimento. As normas destinadas a essas instalações são NBR 13103: Adequação de ambientes residenciais para instalação de aparelhos que utilizam gás combustível, NBR 15526: Redes de distribuição interna para gases combustíveis em instalações residenciais e comerciais – Projeto e execução, NBR 7198: Projeto e execução de instalações prediais de água quente, NBR 15569: Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto – Projeto e instalação, NBR 5626: Instalação predial de água fria e NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão.

Segundo Raimo (2007) as exigências impostas por essas normas elevam os custos das instalações e funcionamento dos sistemas e esses custos são transferidos para os consumidores. É trabalhoso encontrar um equilíbrio para atender os padrões de qualidade e segurança das normas e ainda assim satisfazer os interesses de investimento dos empreendedores.

A NBR 5626: Instalação predial de água fria estabelece exigências e recomendações relativas ao projeto, execução e manutenção da instalação predial de água fria e a NBR 7198: Projeto e execução de instalações prediais de água quente estabelece as exigências técnicas mínimas quanto à higiene, à segurança, à economia e ao conforto dos usuários, pelas quais devem ser projetadas e executadas as instalações prediais de água quente. Esta Norma se aplica às instalações prediais de água quente para uso humano, cuja temperatura seja, no máximo, de 70°C.

Para que os aquecedores elétricos, a gás e solar tenham um adequado desempenho devem receber alimentação pré-estabelecida da fonte de calor e água e a infra-estrutura deve ser dimensionada em conformidade com esses requisitos.

A norma que trata de sistemas de aquecimento elétrico é a NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Esta norma estabelece as condições que devem ser satisfeitas para garantir a segurança desse tipo de instalação e aplica-se principalmente às instalações elétricas de edificações.

Segundo Raimo (2007) o chuveiro elétrico deve ser colocado fora de alcance, onde apenas pessoas qualificadas possam ter acesso. As exigências para esse equipamento são mais restritas do que em relação aos aquecedores de acumulação elétrica.

No caso do sistema de aquecimento a gás, segundo a NBR 15526: Redes de distribuição interna para gases combustíveis em instalações residenciais e comerciais – Projeto e execução, para que a rede de abastecimento do combustível opere em segurança é necessário que não existam danos na pintura das tubulações, que os pontos principais estejam devidamente sinalizados, não pode haver vazamento nos tubos, nas conexões ou nas interligações com equipamentos e aparelhos, é necessário que todas as válvulas estejam funcionando de forma correta, não deve haver obstrução nas tubulações e os dispositivos de controle de pressão e medição devem ser periodicamente verificados quanto ao seu funcionamento, sua eficácia e validade.

A Norma ABNT NBR 13103 (2006) estabelece condições mínimas exigíveis para projetos, construção, ampliação, reformas e vistoria dos locais nos quais se localizam aparelhos que utilizam gás combustível.

A NBR 15526: Rede de distribuição interna para gases fixa os requisitos mínimos para o projeto e a execução de redes de distribuição interna para gases combustíveis em instalações residenciais e comerciais que possam ser abastecidas tanto por canalização de rua como por uma central de gás. Esta norma se aplica ao gás natural e gases liquefeitos de petróleo em fase de vapor e mistura.

Quanto ao sistema de aquecimento solar sua instalação, por si só, não garante que essa fonte esteja sendo bem utilizada. A NBR 15569: Instalação de sistema de aquecimento solar de água em circuito direto contém as orientações para o projetista e o instalador. Esta norma estabelece os requisitos para o sistema de aquecimento solar, onde o fluido de transporte é a água. Se aplica a sistemas compostos por coletores solares planos, sistema de aquecimento auxiliar e com ou sem reservatórios térmicos. Além disso, a norma é aplicável aos sistemas por tesmossifão ou por circulação forçada, porem não se aplica ao aquecimento de água de piscinas nem sistemas de aquecimento em circuito indireto. O sistema de aquecimento solar deve ser provido de dispositivo de alívio de pressão e não deve causar danos estruturais, contaminar a água, criar risco de fogo e colocar em risco a saúde ou segurança.

A próxima seção consiste na descrição da análise dos critérios de comparação entre os sistemas de aquecimento de água.

3. METODOLOGIA

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)

𝑉_𝑉 =𝑉

𝑡 , onde t = tempo e 𝑉𝑉 = vazão volumétrica (Equação 5)

𝑉_𝑉 = 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):

𝑚_𝐶× 𝑃𝐶𝐼 × ɳ = 𝑚 × 𝐶_𝑝× 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 = 𝑚_𝐶×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.