ANÁLISE DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA EM UM EDIFÍCIO
RESIDENCIAL
Jesus Marlinaldo de Medeiros, Jesus_medeiros@yahoo.com.br1 Weslley Macedo Félix, weslleymacedo24@gmail.com1
Marcio Gomes da Silva, mgcefet@gmail.com2
Marinaldo José de Medeiros, marinaldomedeiros@superig.com.br3 Andrei Hudson Guedes Braga, andrei_projetos@yahoo.com.br4
1
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba Campus Cabedelo, Cabedelo-PB 2
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba Campus João Pessoa, João Pesssoa-PB 3
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe, Campus Lagarto, Lagarto-SE 4
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco, Campus Ipojuca, Ipojuca-PE
Resumo: Um sistema de aquecimento solar de água (SAS) é um dispositivo que disponibiliza a energia térmica da radiação solar incidente para uso em várias aplicações de aquecimento de água. O SAS depende muito do desempenho da eficiência do coletor em captar a radiação solar incidente e transferir para a água. A água aquecida é coletada em um reservatório térmico isolado para evitar perdas de calor. A circulação da água quente foi via convecção forçada. O aproveitamento da energia solar em edificações implica na redução do consumo elétrico. Uma análise foi realizada em um sistema de aquecimento de água combinando energia solar e gás como fontes energéticas em um edifício residencial. O sistema de aquecimento de água real foi estudado operando com 47 coletores solares planos, 2 reservatórios térmicos de 5000 litros em regime de convecção forçada através de bombeamento hidráulico e um sistema auxiliar com 4 aquecedores de passagem a Gás GLP. Uma análise técnica durante dois anos (2012-2013) mostrou que o sistema operou satisfatoriamente com fração solar entre 53 e 76 % e eficiência térmica entre 47 a 60 %. No monitoramento das temperaturas no reservatório térmico e coletor observaram-se vários comportamentos nos meses em estudo com variação de acordo com a radiação incidente e o consumo de água quente. Também foi observado que, a falta de manutenção efetiva no sistema solar provocava diminuição da temperatura de banho nos apartamentos, aumento no consumo de gás e até superaquecimento nos coletores com a falha do sistema de controle elétrico ou das bombas. O sistema de aquecimento solar é viável para o edifício residencial em estudo, pois utiliza fonte de energia limpa e renovável e diminui o consumo elétrico. No entanto, a escassez de mão de obra especializada pode comprometer sua eficiência e difusão da tecnologia na região.
Palavras-chave: energia solar, aquecimento de água, coletor solar, gás, edifício residencial
1. INTRODUÇÃO
A Energia Solar para aquecimento de água representa uma tecnologia ambiental que utiliza uma energia limpa, abundante, permanente, renovável a cada dia, não polui, nem prejudica o ecossistema e tem grande potencial de geração de emprego e renda.
Uma alternativa para reduzir o consumo elétrico no setor residencial é a substituição do chuveiro elétrico por sistemas solares térmicos. Pesquisas comprovam a viabilidade técnico-econômica do uso de aquecedores solares de água, comparativamente às opções de aquecimento elétrico e a gás (OLIVEIRA et al., 2008; KALOGIROU, 2009).
Estima-se que o aquecimento de água é responsável por 25 % do total de energia elétrica consumida nas residências brasileiras o que representa um consumo da ordem de 20 bilhões de kWh. Tal demanda de energia elétrica ocorre principalmente no fim da tarde ocasionando um pico que poderia ser reduzido em grande parte com a exploração da energia solar, trazendo ainda vantagens econômicas e ambientais.
O Brasil exibe um dos maiores potenciais do mundo de utilização de energia solar, principalmente pelo fato de ser um país de dimensões continentais e situar-se quase que inteiramente numa região tropical, e em especial a região nordeste, onde tem a presença do sol praticamente o ano inteiro.
O uso de energia solar em edifícios também tem sido estimulado no país pelo Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), realizado pelo Procel em parceria com o Inmetro. Atualmente, a certificação de eficiência energética de edificações é voluntária no país e destinada a edifícios residenciais, comerciais, públicos e de serviços, mas a tendência é que em alguns anos torne-se obrigatória (FOSSATI e LAMBERTS, 2010).
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Gunerhan e Herpbasli (2007) estudaram um sistema de aquecimento de água solar, que possuía coletor solar plano, reservatório térmico e bomba de circulação. Para investigação do efeito da variação da água na entrada e a eficiência do coletor, e apresentar melhorias na eficiência térmica da instalação.
Sales (2008) apresentou uma análise da viabilidade econômica quando da substituição do chuveiro elétrico por aquecedores solares numa residência unifamiliar no município de Maceió–Al mostrando ser viável, gerando economia para os três casos estudados: consumidor de baixa, média e alta renda, reduzindo o consumo da energia elétrica.
Souza (2009) desenvolveu um software para projetos otimizados de sistemas de aquecimento solar de água. O
software disponibiliza aos projetistas a possibilidade de simular instalações com até quatro coletores em série buscando
um melhor balanço hidráulico e, consequentemente, um melhor desempenho da instalação.
Pozzebon (2009) desenvolveu um programa computacional para simulação do sistema de aquecimento solar com termossifão e com convecção forçada totalizando seis configurações diferentes. Foram realizadas análises energéticas e econômicas para determinar a configuração mais eficiente, de acordo, com o perfil de consumo de água aquecida.
Mendonça (2009) fez um estudo da utilização dos sistemas de aquecimento solar de água com coletores planos. Detectou a baixa utilização dos recursos solares, falta de profissionais com conhecimento necessário sobre o equipamento, e consumidores que não possuem as informações necessárias sobre a eficiência do produto.
Andrade (2009) fez um estudo da necessidade da valorização da qualidade e do bom funcionamento das instalações de aquecimento solar, através de dados relativos à validação de qualidade das instalações de grande porte em edifícios residenciais na cidade de Belo Horizonte.
Boscoli (2010) investigou os motivos pelos quais os sistemas de aquecimento solar de água não são implantados em larga escala nas habitações brasileiras de interesse social. Chegou-se a conclusão que as pessoas visam apenas o benefício imediato, sem visar os ganhos futuros, fazendo com que poucas pessoas o utilizem.
Magagnin (2010) analisou a viabilidade econômica de um projeto de aquecimento de água em uma residência unifamiliar, determinou-se que o retorno do investimento do sistema foi de 6 anos e 11 meses. Concluiu-se que a energia solar é viável e pode representar uma economia significativa, reduzindo o consumo da energia elétrica.
Coelho (2011) simulou e identificou as variáveis determinantes em um sistema de aquecimento solar em um prédio residencial. Também estudou a viabilidade de substituição do sistema aquecimento a gás existente por um sistema de aquecimento solar. Concluiu que a substituição é viável e a melhor configuração é a que atende parcialmente a demanda de água aquecida, pois com fração solar de 100 % estaria superdimensionado nos meses de maior radiação solar.
Michaelides e Eleftheriou (2011) estudaram um sistema de aquecimento solar residencial com área de coletores de 3 m2 e um reservatório térmico de 68 litros por um período de 2 anos. Verificaram que o sistema não apresentou variação significativa de temperatura e energia coletada no reservatório térmico com a variação de radiação solar incidente nos coletores entre 800 a 1100 W/m2. Serviu para detectar falhas em operação e ajustes para melhorar o sistema.
Oliveira (2011) simulou a análise de viabilidade econômica de um sistema de aquecimento solar de água de hotel fictício no Nordeste do Brasil, empregando técnicas de dimensionamento de coletores solares e métodos da matemática financeira, como Valor Presente Líquido (VPL), Taxa Interna de Retorno (TIR) e Payback resultando em projeto viável. Altoé et al. (2012) analisaram a eficiência energética de um sistema de aquecimento solar de água com apoio elétrico destinado a atender a diferentes demandas de água quente em uma residência unifamiliar, comparativamente ao uso de chuveiro elétrico. O sistema solar com apoio elétrico provocou uma redução de 70 % no consumo se energia elétrica destinada a aquecimento de água domestica e de 36% no consumo de energia elétrica total da residência.
Santos (2012) elaborou um estudo para análises técnico-econômicas e de comparações das principais soluções solares térmicas para produção de água quente sanitária em edifícios de habitação multifamiliar. Analisando o sistema de acumulação individual e coletiva. Concluiu que o sistema com acumulação coletiva possuía custos anuais menores.
Ayompe e Duffy (2013) estudaram um sistema de aquecimento solar de água com coletores planos com circulação forçada, sistema auxiliar em um clima temperado. O sistema apresentou a temperatura máxima de 70,4 °C na saída do coletor, e de 59,9 °C no interior do reservatório. A energia média diária coletada foi de 19,6 MJ/dia, e a energia de 16,2 MJ/dia que foi passada para os reservatórios, com perda de 3,2 MJ/dia nos tubos de alimentação.
Nesse trabalho, os objetivos foram determinar e avaliar a fração solar, a eficiência térmica e monitorar as temperaturas, o consumo de água quente e o consumo de gás do sistema de aquecimento solar com sistema auxiliar a gás em um edifício residencial em João Pessoa-PB durante os anos de 2012 e 2013.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O Sistema de aquecimento solar utilizado para análise está localizado em um edifício residencial de 27 andares com 52 apartamentos, sendo 2 por andar, na cidade de João Pessoa-PB que foi concebido o projeto, construído e entregue em funcionamento em dezembro de 2010. No ano de 2011, o SAS passou por diversos ajustes para o seu funcionamento regular e crescente consumo de água quente até sua ocupação quase total. Os dados coletados e utilizados para análise foram de janeiro a dezembro de 2012 e de janeiro a dezembro de 2013.
Os equipamentos utilizados no sistema foram: coletores Porto Seguro da TRANSSEN v2.0, área 1,87 m2, espessura 80 mm, tubulação material absorvedor polipropileno com diâmetro ent./saída de 32 mm; reservatórios térmicos horizontais de 5000 litros da TRANSSEN em aço inoxidável, proteção do aço inox em PU elastomérico, isolamento térmico em poliuretano expandido e revestimento externo em alumínio; aquecedores de água a gás REU-157 BRS GLP da RINNAI, cada equipamento com potência nominal de 25,8 kW; Controladores Diferenciais de Temperatura para
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Aquecimento com dois estágios de apoio MICROSOL II PLUS da Full Gauge Controls; Sistema de aquisição de dados com sensores de temperatura e software da Full Gauge Controls para gerenciamento do aquecimento solar SITRAD; Bombas centrifugas SCHNEIDER com rotor de bronze e selo mecânico viton, hidrômetro tipo volumétrico de pistão rotativo Aquadis ITRÓN e medidor de gás Gallus da ITRÓN.
A Figura 1 apresenta esquematicamente a instalação compreendendo a captação da radiação solar incidente nos coletores solares, o armazenamento da energia térmica em dois reservatórios térmicos horizontais em série, a distribuição da água aquecida para consumo, o sistema auxiliar para complementar o aquecimento solar em períodos de baixa insolação solar ou instantes de grande consumo e o sistema de recirculação de água para garantir um fornecimento de água aquecida confortável em todos os andares. Tal sistema caracteriza-se por uma configuração de sistema direto ativo, pois a circulação de água é realizada através de bombas e a água é aquecida diretamente pelos coletores solares. O controlador diferencial de temperatura I tem como função comandar a bomba B1 permitindo seu acionamento quando a diferença de temperatura registrada entre o sensor 1, localizado em um dos coletores próximo a saída do segundo reservatório térmico, e o sensor 2 localizado na entrada do primeiro reservatório térmico, é superior a 4 °C e o desligamento quando esse diferencial é de 2 °C. O sensor 3, controla a temperatura na saída do reservatório térmico . Caso, a temperatura seja menor que 45 °C, o sistema auxiliar (aquecedor de passagem a gás) entrará em funcionamento com acionamento da bomba B2 e o seu desligamento apenas quando a temperatura atingir 50 °C. O controlador diferencial de temperatura II acionará a bomba de recirculação B3 instalada no subsolo do edifício quando a temperatura atingir 35 °C e desligará quando a temperatura atingir 38°C.
Figura 1. Representação esquemática do sistema de aquecimento solar.
Na Figura 2 pode ser visualizada a disposição dos coletores solares no edifício com orientação norte e inclinação dos coletores composta pela latitude local (7,1°) mais 10° usando critério para favorecimento do inverno. Também são mostrados os dois reservatórios térmicos horizontais em série e o local onde estão instalados as bombas de circulação de água nos coletores, as bombas de circulação de água nos aquecedores de passagem a gás, os quatro aquecedores a gás, o controlador diferencial de temperatura e quadro de comando elétrico dos equipamentos, as tubulações hidráulicas, elétricas, de gás e acessórios.
Figura 2. Sistema de aquecimento solar real.
A Figura 3 representa a montagem e disposição dos componentes do sistema de aquecimento solar na cobertura do edifício residencial em estudo detalhando a quantidade de coletores e arranjo série paralelo (misto) em dois circuitos. O circuito solar 1 apresenta 26 coletores sem sombreamento. Enquanto que, o circuito solar 2 apresenta 21 coletores com sobreamento parcial (8 coletores) em determinados horários e dias do ano. Também representa a montagem do sistema auxiliar a gás utilizando quatro queimadores e duas bombas, sua interligação ao reservatório térmico 2, o medidor de consumo de gás e o controlador de temperatura diferencial.
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Figura 3. Arranjo do sistema de aquecimento solar na cobertura do edifício.
Para a análise energética do sistema proposto calculou-se a fração solar (f) e a eficiência do sistema (sistema), segundo Duffie e Beckman (1991) e demais cálculos energéticos segundo Oliveira (2011):
coletores
de
área
dias
de
números
Radiação
E
solarglobal
global*
*
(1)coletores
de
área
dias
de
números
Radiação
E
solarcoletor
inclinada*
*
(2)coletor coletor solar útil
E
E
*
(3) aquecedor gás gás gásgás
consumo
Poder
calorífico
erior
números
de
aquecedore
s
E
*
inf
*
*
(4)gás útil total
E
E
E
(5)
águaquente águafria
águaquente água
consumida
massa
calor
específico
T
T
E
*
*
(6) total útilE
E
f
(7) total consumida sistema
E
E
(8)
elétrico consumida al convencioncusto
kWh
E
Sistema
*
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auxiliargásmedido gás gás al convencion teórico gásauxiliar
Sistema
f
Sistema
consumo
custo
Sistema
*
1
;
*
(10)3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Análise Técnica do Sistema de Aquecimento Solar ano 2012
Na tabela 1, para água fria foi considerada a hipótese de que a temperatura da água é inferior em 2 0C da temperatura do ar atmosférico utilizando dados do BDMEP – INMET Estação: João Pessoa – PB (OMM: 82798) para o ano de 2012, enquanto que para água quente, a partir do controlador diferencial de temperatura instalado via Sitrad (software da Full Gauge Controls) para gerenciamento do aquecimento solar do edifício mantendo a temperatura do reservatório térmico predeterminada com auxílio de um sistema auxiliar a gás que é ligado quando a temperatura atinge 45 °C e desliga quando atinge 50 °C. Por esta razão, foi estimada uma temperatura média de água quente mensal de 49 °C. Pode-se observar que a radiação global na superfície inclinada é maior nos meses entre março e setembro que na superfície horizontal justamente porque foi adotado o critério de favorecimento de inverno para inclinação dos coletores. Além disso, percebe-se que o consumo diário de água quente variou de 6022,90 a 12438,26 litros diariamente no ano de 2012 e que o sistema foi projetado para acumular 10.000 litros por dia, portanto, atenderá em determinados dias com o sistema auxiliar a gás. Observa-se também que os meses mais chuvosos e frios de maio e junho apresentaram um consumo elevado de gás. O consumo excessivo no mês de dezembro foi devido a problemas do sistema solar, e não a falta de radiação solar.
Na Tabela 2, foi considerada a eficiência disponível pelo fabricante do coletor e atestada pelo INMETRO em 2011 com classificação tipo “A” do PROCEL (coletor=0,56). O cálculo da energia auxiliar foi realizado a partir do Poder
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calorífico inferior do gás (PCI=11000 Kcal/kg), massa específica do gás (2,34 kg/m3) e eficiência térmica do aquecedor a gás (aquecedor=0,837) fornecido pelo fabricante. Observa-se que a demanda de energia para aquecimento da água em qualquer mês é sempre inferior a energia total para aquecimento, portanto o sistema funcionará bem se o consumo for uniforme ao longo do dia. No entanto, pelo monitoramento da temperatura no reservatório térmico e funcionamento do sistema auxiliar, verifica-se que há um consumo não uniforme, maior consumo no horário de 06:00 as 08:00 h, sem comprometer a análise diária. A fração solar (
𝑓)
calculada na maioria dos meses foi superior a 70 %, apenas nos meses de maio e junho foi inferior a 60 % o que evidencia que o sistema está funcionando bem ao longo do ano com média de 67,81 %. Com exceção do mês de dezembro que obteve apenas 51,88 %, devido a problema exclusivamente no sistema solar, com elevado consumo de gás sem manutenção adequada para restabelecer a normalidade do funcionamento, gerando um custo adicional. A radiação solar incidente nos coletores no mês de dezembro foi satisfatória para suprir a demanda sem consumo do gás. Portanto, houve geração de calor nos coletores, mas um problema no sistema de controle elétrico para acionamento das bombas para levar a água aquecida dos coletores para o reservatório térmico, levando ao consumo exagerado de gás para manter o reservatório térmico aquecido e suprir o consumo de água quente para os apartamentos. A eficiência térmica (sistema) média foi de 60,47 %, variando bastante ao longo do ano de 2012, obtendo melhores resultados em julho e agosto, caracterizando que a relação entre o consumo de água quente e o consumo de gás estava bem ajustada para suprir a demanda do edifício e que o sistema de controle diferencial de temperatura automático e os equipamentos estavam funcionando perfeitamente. Enquanto que em maio e dezembro, a eficiência foi baixa comprovando que foi gerada energia térmica do sistema solar e do auxiliar, mas sem aproveitamento direto para aquecer a água no reservatório térmico, houve grande perda de energia pela não utilização.Tabela 1. Dados disponíveis para cálculo da energia no sistema de aquecimento solar.
2012 Radiaçãoglobal* (kWh/m2/dia) Radiaçãoinclinada* (kWh/m2/dia) Tágua fria# (°C) Tágua quente (°C) Consumoágua (litros/mês) Consumoágua (litros/dia) Consumogás (m3/mês) Jan 5,35 4,86 25,5 49,0 228308 7364,77 137,34 Fev 5,71 5,4 25,6 49,0 215257 7422,66 124,64 Mar 5,48 5,51 26,1 49,0 273042 8807,81 134,91 Abr 5,02 5,31 25,9 49,0 223503 7450,10 101,24 Mai 5,05 5,63 25 49,0 226697 7312,81 245,73 Jun 4,27 4,86 23,7 49,0 248862 8295,40 207,75 Jul 4,55 5,13 23,5 49,0 305590 9857,74 112,02 Ago 5,38 5,83 23,2 49,0 385586 12438,26 143,01 Set 5,68 5,82 24 49,0 290707 9690,23 146,75 Out 6,41 6,14 24,8 49,0 273904 8835,61 121,97 Nov 6,60 5,93 25,7 49,0 253711 8457,03 157,25 Dez 6,32 5,51 26,1 49,0 186710 6022,90 311,27 Média 5,48 5,49 24,9 49,0 259323 8496,28 161,99
Fonte – *Radiasol2, 2012; #BDMEP-INMET, 2012.
Tabela 2. Cálculo da energia associada no sistema de aquecimento solar.
2012 ESolar global (kWh/mês) ESolar coletor (kWh/mês) Egás (kWh/mês) Etotal (kWh/mês) Econsumida (kWh/mês) Enão usada (kWh/mês) f (%) sistema (%) Jan 13241,51 7415,24 3441,21 10856,45 6229,64 4626,81 68,30 57,38 Fev 13763,57 7707,60 3122,99 10830,60 5848,53 4982,06 71,17 54,00 Mar 15012,49 8406,99 3380,32 11787,32 7260,04 4527,28 71,32 61,59 Abr 14000,88 7840,49 2536,68 10377,17 5994,72 4382,45 75,56 57,77 Mai 15339,44 8590,09 6157,04 14747,13 6317,29 8429,84 58,25 42,84 Jun 12814,36 7176,04 5205,41 12381,45 7310,60 5070,85 57,96 59,04 Jul 13977,15 7827,20 2806,79 10633,99 9048,01 1585,98 73,61 85,09 Ago 15884,36 8895,24 3583,27 12478,52 11550,87 927,65 71,28 92,57 Set 15345,59 8593,53 3676,98 12270,52 8438,58 3831,94 70,03 68,77 Out 16728,98 9368,23 3056,09 12424,32 7696,40 4727,93 75,40 61,95 Nov 15635,63 8755,95 3940,07 12696,03 6863,87 5832,16 68,97 54,06 Dez 15012,49 8406,99 7799,22 16206,21 4964,52 11241,70 51,88 30,63 Média 14729,70 8248,63 4058,84 12307,47 7293,59 5013,89 67,81 60,47
Na tabela 3, o cálculo para o custo do gás teórico foi realizado a partir da fração solar, enquanto que para o gás medido foi realizado por medidor volumétrico da quantidade de gás utilizado mensalmente. Observa-se que o custo real de gás consumido foi maior que o custo teórico, devido às perdas no próprio sistema de aquecimento solar. Observa-se também que no mês de dezembro, houve um problema no sistema de aquecimento solar e o sistema funcionou apenas com a energia gerada pelo gás acarretando um custo excessivo, não gerando economia em relação a um sistema convencional. Para efetuar os cálculos energéticos foi utilizado o valor de R$ 0,46466 por kWh de energia elétrica e R$
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3,4 por kg de gás GLP para consumidores residenciais na cidade de João Pessoa no período dessa análise. Ao longo de um ano é gerada uma economia de R$ 25202,95 com a energia solar.
Tabela 3. Cálculo do Custo associado no sistema de aquecimento solar.
2012 Sistema convencional (R$/mês) Sist. auxiliar Apoio gás teórico (R$/mês)
Sist. auxiliar Apoio gás medido (R$/mês) Economia solar gás teórico (R$/mês) Economia solar gás medido (R$/mês) Jan 2894,66 917,53 1092,68 1977,13 1801,99 Fev 2717,58 783,61 991,64 1933,97 1725,94 Mar 3373,45 967,42 1073,34 2406,02 2300,10 Abr 2785,51 680,91 805,47 2104,60 1980,04 Mai 2935,39 1225,55 1955,03 1709,84 980,36 Jun 3396,94 1428,14 1652,86 1968,80 1744,08 Jul 4204,25 1109,69 891,23 3094,56 3313,02 Ago 5367,23 1541,23 1137,79 3826,00 4229,44 Set 3921,07 1174,99 1167,54 2746,08 2753,53 Out 3576,21 879,66 970,39 2696,54 2605,82 Nov 3189,37 989,78 1251,08 2199,58 1938,28 Dez 2306,81 1110,15 2476,46 1196,66 -169,65 Ano 40668,46 12808,68 15465,51 27859,79 25202,95
3.2. Análise Técnica do Sistema de Aquecimento Solar ano 2013
Na tabela 4, para água fria foi considerada a temperatura média mensal da água medida em um coletor no horário de 06:00 h para o ano de 2013, enquanto que para água quente, foi considerada a temperatura média mensal no reservatório térmico para consumo a partir de dados disponíveis no sistema de aquisição de dados do controlador diferencial de temperatura instalado via software da Full Gauge Controls. A medição foi realizada a cada minuto e armazenada. Pode-se observar dos dados da tabela que a radiação global na superfície inclinada é maior nos meses entre março e setembro que na superfície horizontal justamente porque foi adotado o critério de favorecimento de inverno para inclinação dos coletores. Além disso, percebe-se que o consumo diário de água quente variou de 6324,87 a 11262,80 litros diariamente no ano de 2013 e que o sistema foi projetado para acumular 10.000 litros por dia, portanto, atenderá em determinados dias com o sistema auxiliar a gás. Observa-se que os meses mais chuvosos e frios de junho, julho e agosto apresentaram um consumo elevado de gás. Observam-se consumos médios de água quente e gás semelhante aos obtidos em 2012. No mês de novembro, foi verificada uma falha no sensor de temperatura de saída do reservatório térmico provocando aumento do consumo de gás. Foi detectada a queda do sensor, recolocado na posição correta e o sistema de aquecimento voltou à normalidade.
Tabela 4. Dados disponíveis para cálculo da energia no sistema de aquecimento solar.
2013 Radiaçãoglobal* (kWh/m2/dia) Radiaçãoinclinada* (kWh/m2/dia) Tágua fria (°C) Tágua quente (°C) Consumoágua (litros/mês) Consumoágua (litros/dia) Consumogás (m3/mês) Jan 5,91 5,37 24 51 197953 6385,58 93,23 Fev 5,82 5,5 24,7 52 197909 7068,18 42,12 Mar 5,5 5,53 27 52,2 196071 6324,87 92,48 Abr 5 5,29 26,5 52,4 218910 7297,00 126,77 Mai 4,63 5,16 25,2 50 228558 7372,84 167,63 Jun 4,17 4,75 23,5 47,2 234099 7803,30 262,37 Jul 4,32 4,87 22,3 46,2 287148 9262,84 328,69 Ago 5,05 5,47 23,1 46,2 306812 9897,16 259,31 Set 5,64 5,78 24,6 45,2 337884 11262,80 202,61 Out 5,75 5,51 26 49,2 245461 7918,10 172,15 Nov 6,09 5,47 25 47,1 270200 9006,67 254,87 Dez 6,06 5,28 24,3 50 245305 7913,06 180,69 Média 5,33 5,33 24,7 49,1 247192,5 8126,03 181,91 Fonte – *Radiasol2, 2012.
Os dados da Tabela 5 apresentam comportamento semelhante ao obtido em 2012. A fração solar, calculada na maioria dos meses foi superior a 64 %, apenas nos meses de maio, junho, julho e novembro foram inferiores a 60 %, o que evidencia que o sistema está funcionando bem ao longo do ano. A eficiência térmica média foi de 55,88 % e variou bastante em todos os meses de 2012, obtendo melhores resultados em fevereiro e abril, caracterizando que a relação entre o consumo de água quente e o consumo de gás estava bem ajustada para suprir a demanda do edifício e que o sistema de controle diferencial de temperatura automático e os equipamentos estavam funcionando normalmente.
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Na tabela 6, observa-se comportamento semelhante ao obtido em 2012. A economia gerada em 2013 foi de R$ 21184,68 que é inferior a 2012.
Tabela 5. Cálculo da energia associada no sistema de aquecimento solar.
2013 ESolar global (kWh/mês) ESolar coletor (kWh/mês) Egás (kWh/mês) Etotal (kWh/mês) Econsumida (kWh/mês) Enão usada (kWh/mês) f (%) sistema (%) Jan 14631,05 8193,39 2335,98 10529,37 6205,83 4323,54 77,81 58,94 Fev 13535,06 7579,63 1055,36 8635,00 6273,39 2361,61 87,78 72,65 Mar 15066,98 8437,51 2317,19 10754,70 5737,04 5017,66 78,45 53,34 Abr 13948,14 7810,96 3176,36 10987,32 6583,23 4404,09 71,09 59,92 Mai 14058,88 7872,98 4200,16 12073,13 6581,45 5491,68 65,21 54,51 Jun 12524,33 7013,62 6573,97 13587,59 6442,01 7145,58 51,62 47,41 Jul 13268,75 7430,50 8235,69 15666,20 7968,52 7697,68 47,43 50,86 Ago 14903,51 8345,96 6497,30 14843,26 8229,21 6614,06 56,23 55,44 Set 15240,13 8534,47 5076,62 13611,09 8081,81 5529,28 62,70 59,38 Out 15012,49 8406,99 4313,41 12720,40 6612,17 6108,23 66,09 51,98 Nov 14422,75 8076,74 6386,05 14462,79 6933,48 7529,31 55,84 47,94 Dez 14385,84 8056,07 4527,39 12583,46 7320,04 5263,42 64,02 58,17 Média 14249,83 7979,90 4557,96 12537,86 6914,01 5623,84 65,36 55,88
Tabela 6. Cálculo do Custo associado no sistema de aquecimento solar.
2013 Sistema convencional (R$/mês) Sist. auxiliar Apoio gás teórico (R$/mês)
Sist. auxiliar Apoio gás medido (R$/mês) Economia solar gás teórico (R$/mês) Economia solar gás medido (R$/mês) Jan 2883,60 639,74 741,74 2243,86 2141,86 Fev 2914,99 356,27 335,11 2558,72 2579,88 Mar 2665,77 574,36 735,77 2091,41 1930,00 Abr 3058,96 884,33 1008,58 2174,64 2050,38 Mai 3058,14 1063,90 1333,66 1994,23 1724,47 Jun 2993,35 1448,25 2087,42 1545,10 905,93 Jul 3702,65 1946,48 2615,06 1756,17 1087,59 Ago 3823,78 1673,77 2063,07 2150,01 1760,71 Set 3755,29 1400,64 1611,97 2354,66 2143,33 Out 3072,41 1041,84 1369,63 2030,58 1702,79 Nov 3221,71 1422,55 2027,75 1799,16 1193,97 Dez 3401,33 1223,76 1437,57 2177,57 1963,76 Ano 38551,99 13675,88 17367,31 24876,10 21184,68
3.3. Falhas monitoradas no Sistema de Aquecimento Solar no ano 2013
A partir do monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar de água foi possível mostrar que o aumento de consumo de gás (254,87 m3/mês) foi provocado pela queda do sensor de temperatura da saída do reservatório térmico. Nesse caso, o sistema de controle automático não funcionou corretamente, pois a temperatura foi medida num outro ponto. No dia 15 ocorreu essa falha, com detecção e reparo apenas no dia 19 e normalidade dia 20.
A Figura 4 representa o monitoramento das temperaturas no reservatório térmico através de termopares instalados dentro de um dos coletores (sensor azul), na entrada (sensor vermelho) e na saída (sensor verde) do reservatório térmico e na bomba (sensor amarelo) de recirculação de água quente instalada no subsolo do edifício. Observa-se que a temperatura no coletor variou ao longo do dia atingindo a temperatura mínima à noite e a temperatura máxima em torno das 12:00 h, e a temperatura na entrada do reservatório recebeu a mesma influência do meio exterior. Enquanto que, o reservatório térmico perdeu calor à noite, diminuindo a temperatura de saída do reservatório e quando houve consumo de água quente nos apartamentos, ligou o sistema auxiliar a gás e aumentou a temperatura novamente. Após o nascer do sol, a radiação solar também ajudou a aumentar a temperatura do reservatório até as 18:00 h, retornando ao ciclo de resfriamento e perda de calor. Também se observa o ligamento e desligamento da bomba que levou a água aquecida dos coletores para o reservatório térmico. A bomba funcionou no período de tempo indicado em azul e o sistema auxiliar a gás funcionou no período indicado em verde. Verifica-se que devido à falha (queda do sensor), a temperatura diminuiu instantaneamente de 48,5 °C para menos de 32,0 °C, ligando o sistema a gás e fazendo recircular a água pelos aquecedores de passagens indefinidamente até a manutenção adequada restabelecendo a normalidade. A temperatura de recirculação da água (amarelo) funciona ligando a bomba quando a temperatura da água na parte inferior da prumada principal baixa para 35 °C levando água diretamente para dentro do reservatório térmico na parte superior do edifício, percorrendo em torno de 90 metros até onde está o reservatório térmico. Com isso, a parte inferior, através da convecção forçada aumenta a temperatura no subsolo ao atingir 38 °C e a bomba é desligada automaticamente. Essa
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operação mantém a temperatura na prumada principal mais uniforme. Verificou-se que com a falha no sensor verde, o reservatório ficou mais aquecido e a temperatura na prumada principal também aumentou.
Figura 4 – Monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar: 15/11/2013.
Na Figura 5 que correspondem ao dia 16 de novembro se observa comportamento semelhante ao descrito na Figura 4. No entanto, verifica-se que o sistema auxiliar ficou funcionando 24 horas, pois o sensor verde estava com uma falsa leitura e os moradores estavam recebendo água aquecida. Na portaria do edifício, há um monitoramento na tela do computador mostrando os valores instantâneos dos 4 sensores, mas os porteiros foram treinados em acionar a equipe de manutenção só em caso de reclamação dos moradores, quando a água não aquece bem. Isso não aconteceu e só foi percebido no momento da coleta de dados do pesquisador após 4 dias.
Figura 5 – Monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar: 16/11/2013
Na Figura 6, mostra-se o momento que foi recolocado o sensor verde no local correto, tendo sido realizado essa operação as 10:30 h. Na verdade, o sensor tinha caído com a ação do vento e estava no piso em contato direto com ar externo marcando menos de 35,0 °C e passado instantaneamente para a temperatura na superfície do reservatório superior a 57,4 °C, desligando o sistema auxiliar a gás. Devido à inércia térmica, o sensor ainda alcançou 60 °C, um mostrador vermelho indica que o sistema está acima do limite de operação.
Figura 6 – Monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar: 19/11/2013.
Um dia após a intervenção no sensor vermelho, conforme Figura 7, a temperatura do reservatório ainda continuava alta, mas já tinha baixado do limite de 60 °C, até que no horário de grande utilização entre 06:00 e 08:00 h, a temperatura diminuiu, o sistema a gás foi acionado e a energia solar passou a atuar normalmente, restabelecendo o funcionamento intermitente periodicamente de cada dia, variando de acordo com as variáveis do processo (radiação, água quente, gás) e falhas dos equipamentos, dos controladores ou dos sensores.
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Figura 7 – Monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar: 20/11/2013.
Na Figura 8 mostra-se o dia em que a bomba do circuito solar não funcionou, ocasionando o superaquecimento da água nos coletores atingindo uma temperatura superior a 100 °C. Essa energia solar gerada não foi transferida para o reservatório térmico, e sim desperdiçada na forma de vapor através da abertura da válvula de alívio para evitar danos ao sistema. A demora em detectar essa falha e corrigi-la provocou desperdício de energia e consumo excessivo de gás.
Figura 8 – Monitoramento das temperaturas no sistema de aquecimento solar: 20/11/2013. 4. CONCLUSÃO
O comportamento do sistema de aquecimento solar em um edifício residencial foi investigado, estudado e monitorado mostrando fração solar e eficiência energética dentro da faixa recomendada para sua utilização e implantação em edifícios residenciais na região nordeste do Brasil garantindo água aquecida ao longo de todo o ano.
O sistema de aquecimento solar real estudado mostrou-se como uma opção viável porque apresentou um valor presente líquido positivo (VPL), taxa interna de retorno (TIR) superior a Taxa de atratividade e tempo de retorno sobre o investimento (Payback) inferior a duração do sistema (20 anos) usando os dados obtidos em 2012 e 2013.
O monitoramento das temperaturas do sistema de aquecimento solar e medição da quantidade de água quente utilizada e gás G.L.P utilizado, permitiram verificar que o sistema de controle automático é ineficiente e precisa ser melhorado para otimizar a operação com mínimo de perdas.
A falta de mão de obra treinada e especializada para operação e manutenção dos sistemas de aquecimento solar pode comprometer o uso dessa tecnologia.
Os consumidores precisam tomar conhecimento da tecnologia de aquecimento solar e saber que podem obter grandes benefícios com o uso de equipamentos que promovam a conservação de energia.
5. AGRADECIMENTOS
Agradecemos o apoio financeiro disponibilizado pelo IFPB para o desenvolvimento da pesquisa.
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7. RESPONSABILIDADE AUTORAL
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.
RESIDENTIAL SOLAR WATER HEATING SYSTEM ANALYSIS
Jesus Marlinaldo de Medeiros, Jesus_medeiros@yahoo.com.br1 Weslley Macedo Félix, weslleymacedo24@gmail.com1
Marcio Gomes da Silva, mgcefet@gmail.com2
Marinaldo José de Medeiros, marinaldomedeiros@superig.com.br3 Andrei Hudson Guedes Braga, andrei_projetos@yahoo.com.br4
1
Federal Institute of Education, Science, Technology of Paraíba, Cabedelo, Paraíba 2
Federal Institute of Education, Science, Technology of Paraíba, João Pessoa, Paraíba 3
Federal Institute of Education, Science, Technology of Sergipe, Lagarto, Sergipe 4
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco, Campus Ipojuca, Ipojuca-PE
Abstract. A solar water heating system (SWHS) is a device that makes available the thermal energy of the incident solar radiation for use in various water heating applications. SWHS largely depends on the performance of the collector’s efficiency at capturing the incident solar radiation and transfer to the water. Heated water is collected in a tank insulated to prevent heat loss. The hot water circulation was via forced convection. The use of solar energy in buildings involves in the reduction of electrical consumption. An analysis was performed in a water heating system combining solar and gas as energy sources in a residential building. The real water heating system was studied operating with 47 flat solar collectors, two thermal reservoirs of 5000 liters under forced convection by pumping hydraulic and auxiliary heaters with 4 passing Gas LPG. An analysis of the solar fraction every month showed that the system has operated satisfactorily between 53 and 76%. Monitoring of temperatures in the thermal reservoir and solar collector observed similar behavior in the months studied with variation according to the incident radiation and hot water consumption.
Keywords: solar energy,water heating, solar collector, gas, residential building
