COMPARAÇÃO HIDROENERGÉTICA ENTRE CAPTAÇÃO DE ÁGUA
BRUTA DE MANANCIAL SUPERFICIAL E SUBTERRÂNEO PARA
ABASTECIMENTO PÚBLICO
Jorge Fernando Hungria Ferreira 1; Luana Menna Barreto de Vilhena 2*; Danilo Oliveira Ferreira 3; Augusto da Gama Rego 4 e José Almir Pereira Rodrigues 5
Resumo – O abastecimento público de água demanda grande consumo energético gerado pelos
conjuntos motor e bomba, dessa forma, reduzir gastos energéticos com bombeamento diminuiria custos na receita da concessionária. Este trabalho visa comparar desempenho hidroenergético entre captação de água bruta de manancial superficial e subterrâneo para abastecimento da Cidade Universitária José da Silveira Netto (Belém-PA), devido a localização próxima ao Rio Guamá e acima de aquífero confinado. Foi realizada pesquisa bibliográfica, condição de operação do atual sistema da universidade, alternativa de captação, monitoramento do consumo de água existente, dimensionamento dos sistemas de bombeamento e simulação no Epanet. Para o dimensionamento foi utilizada vazão média do monitoramento, características físicas dos sistemas e a NBR 12.214/92 para determinação dos diâmetros das tubulações. As diferentes concepções de bombeamento exigiram diferentes potências instaladas para os CMBs, devido principalmente à altura manométrica. A simulação demonstrou uma notável diferença do consumo energético entre a captação subterrânea e a superficial, onde a energia consumida pela unidade de bombeamento superficial representa 4,97% do consumo da subterrânea, que representaria uma vantagem econômica de R$7.570,00/mês. Conclui-se que, do ponto de vista hidroenergético, a captação de água bruta de manancial superficial apresenta melhores resultados econômicos.
Palavras-Chave – Captação de água bruta, Epanet, Cidade Universitária Professor José da Silveira
Netto.
COMPARISON BETWEEN STOCK HYDROPOWER SURFACE OF GROSS
AND UNDERGROUND WATER FUNDING FOR PUBLIC SUPPLY
Abstract – The public water supply demand high energy consumption generated by the motor and pump sets, thus reducing energy expenditure would decrease pumping costs in the concessionaire's revenue. To compare performance between hydropower raw water catchment surface and
1 Universidade Federal do Pará: fernandohughes13@hotmail.com. 2*
Universidade Federal do Pará: luanavilhena@yahoo.com.br.
groundwater for supplies of University City José da Silveira Netto (Belém-PA) due to location near the Guama River and above confined aquifer. A literature review was conducted, operating condition of the current university system, funding alternative, monitoring of existing water consumption, dimensioning of pumping systems and simulation in Epanet. It was used for the design average flow monitoring, physical characteristics of the systems and the NBR 12,214/92 to determine the diameters of the pipes. Different pumping conceptions demanded different power installed for CMBS, mainly due to the delivery head. The simulation showed a noticeable difference in energy consumption between groundwater abstraction and surface, where the energy consumed by surface pumping unit is 4.97% of groundwater consumption, which would represent an economic benefit of R$7,570.00/month. In conclusion, the hydropower point of view, the capture of raw water from surface source presents better economic results.
Keywords – Raw water catchment, Epanet, University City Professor Jose da Silveira Netto.
INTRODUÇÃO
Segundo o programa de pesquisa em saneamento básico (PROSAB, 2009), cerca de 3% do consumo energético brasileiro ocorre no abastecimento de água e no tratamento de esgoto, dos quais 90% dessa energia são utilizadas em conjuntos motor e bomba. Dessa forma, minimizar os gastos energéticos nesses setores do saneamento, tornando-os mais eficientes, geraria a redução da demanda de energia na matriz energética nacional.
Segundo Pereira e Condurú (2014), é importante avaliar os possíveis mananciais para abastecimento quanto a sua localização, capacidade e a qualidade da água, outro fator importante a ser avaliado é a disponibilidade de energia elétrica. A localização influenciará no custo de instalação e de operação do sistema, ou seja, se a captação for feita em um local muito distante da estação de tratamento de água será necessário grande quantidade de material na construção do sistema para tal deslocamento como tubulações e conexões e o deslocamento do fluido por essa longa distância requererá consumos elevados de energia elétrica.
Frequentemente os sistemas de captação superficial para abastecimento de água possuem como vantagem do ponto de vista hidroenergético em relação ao subterrâneo menor altura geométrica, requerendo menor potência dos Conjuntos Motor e Bomba (CMB). Matematicamente a altura geométrica gera maior influência do que a perda de carga ao logo das tubulações para o cálculo da potência dos CMBs, logo, dependendo das proporções, um sistema de captação superficial com tubulações mais longas do que as de água subterrânea ainda requererão menor consumo de energia.
OBJETIVO GERAL
Comparar o impacto hidroenergético entre captação de água bruta de manancial superficial e subterrâneo para abastecimento da Cidade Universitária José da Silveira Netto utilizando o software Epanet 2.0.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conhecer o atual sistema de captação de água bruta para o Sistema de Abastecimento de Água (SAA);
Pesquisar alternativas de concepção para captação de água bruta para o Sistema de Abastecimento de Água (SAA) da Cidade Universitária José da Silveira Netto;
Monitorar o consumo de água do sistema de captação de água subterrânea da universidade; Dimensionar sistemas de bombeamento para captação de água bruta em manancial superficial e
em manancial subterrâneo;
Simular unidade de bombeamento no software Epanet 2.0 para obter o consumo energético no sistema de abastecimento de água bruta;
Analisar os resultados hidroenergéticos e propor concepção para a unidade de captação de água bruta do sistema de abastecimento de água da Cidade Universitária José da Silveira Netto.
METODOLOGIA
A pesquisa foi realizada no SAA da Cidade Universitária José da Silveira Netto, Universidade Federal do Pará (UFPA), localizada em Belém-PA, que atende a totalidade do campus (Setores Profissional, Básico e Saúde). Inicialmente a metodologia consistiu de pesquisa bibliográfica acerca do tema para embasamento teórico da construção da proposta, em seguida foi dividida em etapas, conforme os objetivos propostos.
1ª etapa: Foi realizada visita in loco para conhecimento do sistema de captação em operação
na universidade e pesquisa documental sobre informações estruturais e demais características pertinentes do sistema;
2ª etapa: Foram sondadas as potenciais formas de captação de água bruta da UFPA, para isso
foram levantados os corpos d’água próximos à universidade passíveis de retirada de água bruta para abastecimento;
3ª etapa: Foi realizado monitoramento do consumo de água da unidade de captação de água
subterrânea da universidade durante sete dias através de macro medidor instalado na tubulação que interliga os poços aos aeradores da Estação de Tratamento de Água (ETA);
4ª etapa: As unidades de bombeamento de água subterrânea (atual) e superficial (proposta)
foram dimensionadas atendendo os parâmetros indicados pela NBR 12.214 de 1992;
5ª etapa: As unidades de captação de água superficial e subterrânea foram traçadas e
simuladas no software Epanet 2.0 para visualização do comportamento hidráulico e energético;
6ª etapa: Os resultados hidroenergéticos gerados pelo Epanet 2.0 foram analisados segundo
proposta de concepção de captação de água bruta com maior eficiência hidroenergética para Cidade Universitária Professor José da Silveira Netto.
RESULTADOS
A UFPA está localizada na margem direita do rio Guamá e acima de um aquífero confinado, devido a isso existem dois grandes potenciais para abastecimento de água no campus, tanto no corpo d’água subterrâneo como superficial. A profundidade do poço artesiano em operação, que capta água do aquífero confinado, é de 240 metros e entre o rio Guamá e a ETA há 80 metros de distância.
O atual sistema de captação da universidade é feito por três poços artesianos localizados no setor profissional (Figura 1). Os poços bombeiam água bruta para os aeradores da ETA. A operação do sistema de captação é do tipo 2+1, ou seja, duas bombas em funcionamento e uma de reserva, e apresenta tubulação de ferro fundido. O tratamento da água bruta é realizado em ETA do tipo desferrização, composta por dois aeradores de bandeja seguidos por quatro filtros rápidos de fluxo
Figura 1 – Mapa de localização da captação dos poços artesianos.
O monitoramento do consumo de água da unidade de captação de água bruta foi realizado durante o período de 21 a 27 de junho de 2014 visando obter o volume real consumido no campus (Tabela 1). A vazão de projeto utilizada no dimensionamento foi a vazão média dos valores monitorados.
Tabela 1 – Volumes monitorados.
Hora Volume horário (m³)
21/06/14 22/06/14 23/06/14 24/06/14 25/06/14 26/06/14 27/06/14 00:00 60 70 5 0 70 170 85 01:00 90 60 20 0 100 95 80 02:00 90 90 90 0 60 90 105 03:00 30 100 50 0 80 90 115 04:00 90 90 5 70 100 90 80 05:00 80 90 90 70 70 0 80 06:00 70 0 95 95 80 10 80 07:00 85 50 110 190 20 160 0 08:00 75 105 70 85 90 240 0 09:00 55 40 90 200 90 100 0 10:00 55 65 95 130 90 90 0 11:00 70 380 80 110 120 55 0 12:00 0 110 35 110 95 145 0 13:00 85 60 90 85 95 110 0 14:00 85 40 100 85 90 70 0 15:00 30 85 40 90 90 90 0 16:00 80 80 65 95 90 50 0 17:00 90 25 95 70 90 180 90 18:00 100 85 80 15 95 20 90 19:00 80 90 0 90 90 90 80 20:00 70 0 0 80 15 70 10
21:00 20 95 75 100 20 95 100
22:00 0 80 100 90 100 85 70
23:00 60 25 75 40 5 105 70
A partir das vazões horárias monitoradas pôde-se calcular a média para realizar o dimensionamento das unidades de bombeamento de água subterrânea e superficial, sendo o valor encontrado de 1742,9 m³/dia, adotando-se 1750 m³/dia para os cálculos. As Tabela 2 e Tabela 3
mostram as grandezas e componentes necessários para o dimensionamento dos CMB de captação de água subterrânea e superficial.
Tabela 2 – Características do sistema.
Grandeza Captação superficial Captação subterrânea
Nível de água (m) 0 -240 Nível do Barrillete (m) 3 4,5 Nível do Aerador (m) 10 10 Comprimento Sucção (m) 3 - Comprimento Barrilete 1 (m) 2 250 Comprimento Barrilete 2 (m) 1 12,6 Comprimento de recalque (m) 80 42,3
Tabela 3 – Singularidades dos sistemas superficial e subterrâneo.
Peças e conexões Captação superficial Captação subterrânea K
Sucção Barrilete Recalque Sucção Barrilete Recalque
Ent. de canalização - - - - 1 - 0,5 Junção - 1 1 - 1 1 0,4 Curva de 90° 1 1 - - 1 - 0,4 Curva 45° - 1 2 - 3 1 0,2 Válvula borboleta 1 1 1 - 1 1 0,3 Válvula retenção - 1 - - 1 - 2,5 Válvula de pé 1 - - - - Redução gradual 1 - - - - Ampliação gradual - 1 - - 1 - 0,3 Saída de canalização - - 1 - - 1 -
A NBR 12.214/92 indica velocidades mínima do fluxo de água de 0,6 m/s e máxima de 3 m/s em barriletes fabricados em ferro fundido, sendo adotado para os cálculos velocidade de 1 m/s para determinação do diâmetro da tubulação do barrilete da captação de água subterrânea e superficial para a tubulação de sucção (no caso da captação superficial). Para o recalque foram adotados diâmetros comerciais imediatamente superiores ao diâmetro encontrado para o barrilete. A Tabela 4 mostra os diâmetros e velocidades encontradas para os sistemas através dos cálculos de dimensionamento.
Tabela 4 – Diâmetros e velocidades dos sistemas de captação subterrânea e superficial.
Tipo de captação Trecho Diâmetro (mm) Velocidade (m/s)
Subterrâneo Barrilete 100 1,29 Recalque 150 1,15 Superficial Sucção 150 0,57 Barrilete 100 1,29 Recalque 150 1,15
A NBR 12.214/92 dispõe sobre valores de velocidades máxima e mínima de sucção, sendo, para diâmetros de 150 mm, a máxima de 1 m/s e mínima de 0,45 m/s para água com suspenção arenosa, logo a velocidade de sucção do sistema está dentro do que a norma técnica indica.
Após o dimensionamento dos sistemas de bombeamento, as unidades de captação de água
superficial e subterrânea foram traçadas no programa Epanet 2.0, conforme Figura 2 e Figura 3, e,
em seguida, simuladas.
Figura 2 – modelagem da unidade de captação subterrânea no Epanet.
Figura 3 – modelagem da unidade de captação superficial no Epanet.
A tarifa utilizada na simulação para o cálculo do custo energético de bombeamento foi de 0,828359 R$/kWh para horários de ponta (adotado entre 17:00h e 19:00h) e de 0,343307 R$/kWh para horários fora ponta (demais horas do dia). Os valores tarifários adotados foram retirados do site da concessionária de energia elétrica do estado do Pará (Rede Celpa). Esses dados foram inseridos no Epanet 2.0 junto com os dados do sistema hidráulico para simulações das unidades de bombeamento.
Tabela 5 – Resultados das simulações.
Grandezas Captação subterrânea Captação superficial
CBM 01 CMB 02 CMB 01 CMB 02 Vazão (m³/h) 35,98 36,01 35,45 35,49 Altura manométrica (m) 255,14 254,9 11,16 11,15 Rendimento (%) 73,1 73,99 63,51 63,49 Potência (kW) 34,24 34,24 1,7 1,7 Energia (kWh) 821,76 821,76 40,8 40,8 Custo (R$/dia) 132,78 132,78 6,59 6,59
Custo (R$/mês) 3.983 3.983 198 198
Custo (R$/ano) 47.801 47.801 2.372 2.372
CONCLUSÃO
As diferentes concepções de bombeamento (subterrânea e superficial) exigiram diferentes potências instaladas para os CMBs devido principalmente à altura manométrica da unidade subterrânea ser muito maior que da unidade superficial, afetando consideravelmente a potência necessária para deslocar água do manancial confinado para o aerador.
Ao analisar os dados obtidos através da simulação no Epanet 2.0 é notável a diferença do consumo energético entre a captação subterrânea e a superficial. A energia consumida pela unidade de bombeamento superficial representa 4,97% do consumo da unidade de bombeamento subterrâneo. Portanto, no caso de adoção do sistema de captação superficial a estimativa de redução econômica em função da energia consumida seria de R$7.570,00 por mês e R$90.858,00 por ano.
Essa diferença no custo ocorre devido a grandes alturas geométricas exigirem maiores potências instaladas para deslocamento do fluido, necessitando de CMBs com potências instaladas muito superiores a unidades de captação superficial. Conclui-se que, do ponto de vista hidroenergético, a captação de água bruta de manancial superficial apresenta melhores resultados econômicos.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12.214 (1992): Projeto de
sistema de bombeamento de água para abastecimento público. Rio de Janeiro. 15 p.
GOMES, H. P. (2009). Sistemas de bombeamento – Eficiência Energética. Editora Universitária, UFPB.
PEREIRA, J. A. R.; CONDURÚ, M. T. (2014). Abastecimento de água: informação para eficiência
hidroenergética. João Pessoa, Editora Universitária – UFPB.
PROSAB (2009). Consumo energético. 1 ed. Editora ABES.
TSUTIYA, M. T. (2001). Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de
