UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
JOÃO PAULO MENDES
ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO USO DE
ÁGUA DA CHUVA EM RESIDÊNCIAS DE INTERESSE SOCIAL
JOÃO PAULO MENDES
ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO USO DE
ÁGUA DA CHUVA EM RESIDÊNCIAS DE INTERESSE SOCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Civil no curso de Engenharia Civil, da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC.
Orientador: Prof. Eng. Alexandre Vargas
JOÃO PAULO MENDES
ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DO USO DE
ÁGUA DA CHUVA EM RESIDÊNCIAS DE INTERESSE SOCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do grau de Engenheiro Civil no curso de Engenharia Civil, da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de Pesquisa em Hidráulica
Criciúma, 30 de Junho de 2010.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Alexandre Vargas – Engenheiro Civil – (UNESC) - Orientador
Prof. Álvaro José Back – Doutor – (UNESC)
Dedico este trabalho a todas as pessoas que acreditaram que o mesmo fosse possível: minha família, namorada, amigos e professores.
AGRADECIMENTO
Agradeço a todos que participaram de forma direta ou indiretamente para a concretização deste projeto.
Aos professores Alexandre Vargas e Álvaro José Back, pelas contribuições e orientações ao longo do desenvolvimento do projeto, aos amigos Tiago, Jakson e Renata, pela disposição e auxílio quando necessário.
A minha mãe, irmã e namorada que compreenderam todas as ausências durante o curso, e sempre incentivando e apoiando durante toda a jornada da graduação.
“Pare o mundo que eu quero descer...”
RESUMO
Questões sobre a conservação e preservação dos recursos hídricos são assuntos que vêm se tornando cada vez mais freqüentes, tendo em vista que é um recurso imprescindível à vida, e está se tornando cada vez mais escasso devido à degradação do mesmo causado pelo próprio homem, provocando a deterioração e a diminuição da quantidade e qualidade da água. Os sistemas de captação e aproveitamento de água pluvial são soluções sustentáveis que contribuem para uso racional da água, contribuindo também para redução de impactos ambientais, proporcionando a conservação dos recursos hídricos para as futuras gerações. O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um sistema de captação e aproveitamento de águas pluviais para residências de interesse social, mostrando a eficiência do sistema e o tempo de retorno, para assim determinar a viabilidade econômica do sistema. Para este objetivo ser alcançado, foi preciso levantar dados referentes à intensidade pluviométrica da região, bem como determinar a demanda a ser atendida e a área de coleta da edificação. Com estes dados partiu-se para o dimensionamento do sistema e assim determinar a viabilidade econômica da implantação do sistema.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ciclo da água ...22
Figura 2 - Esquema de funcionamento do sistema de aproveitamento...24
Figura 3 – Fluxograma do Sistema ...25
Figura 4 – Pluviômetro ou pluviógrafo...27
Figura 5 – Desenho esquemático das dimensões do telhado ...29
Figura 6 – Sistema de grade localizada sobre a calha...29
Figura 7– Ábaco para a determinação de diâmetros de condutores verticais ...32
Figura 8 – Ábaco para a determinação de diâmetros de condutores verticais ...32
Figura 9 – Planta baixa modelo casa de interesse social A = 40,50m² ...43
Figura 10 – Fachada frontal modelo casa de interesse social A = 40,50m²...44
Figura 11 – Fachada lateral modelo casa de interesse social A = 40,50m² ...44
Figura 12 – Desenho esquemático das dimensões do telhado ...45
Figura 13 – Desenho esquemático das dimensões da calha ...52
Figura 14 – Reservatório de água de chuva com tonel ...54
Figura 15 – Sistema de abastecimento de água de uma residência ...58
Figura 16 – Sistema de abastecimento de água potável...59
Figura 17 – Reservatório superior de abastecimento de água potável ...60
Figura 18 – Sistema de abastecimento de água não potável...61
Figura 19 – Calhas e condutores verticais ...61
Figura 20 – Tela de proteção ...62
Figura 21 – Reservatório de descarte ...62
Figura 22 – Cisterna enterrada e conjunto moto-bomba ...63
Figura 23 – Reservatório superior de abastecimento de água para fins não potáveis ...64
Figura 24 – Abastecimento auxiliar do reservatório de água para fins não potáveis.65 Figura 25 – Sistemas de segurança para dispositivos que utilizam água de aproveitamento da chuva ...66
Figura 26 – Tela inicial do programa desenvolvido para pré-dimensionamento do sistema ...71
Figura 27 – Tela com parâmetros para análise da viabilidade técnica...71
Figura 28 – Resultados da análise da viabilidade técnica...72
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Produção hídrica no mundo por região ...19
Tabela 2 - Vazão média de água no Brasil em comparação com outros países da América do Sul ...20
Tabela 3 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil ...21
Tabela 4 – Demanda residencial não potável ...26
Tabela 5 – Faixa do Coeficiente de escoamento superficial para cada tipo de material, de diferentes autores. ...28
Tabela 6 – Coeficiente de Rugosidade ...31
Tabela 7 – Capacidades de calhas semicirculares com coeficiente de rugosidade n = 0,011 (vazão em L/min)...31
Tabela 8 - Capacidade de condutores horizontais de seção circular (vazão em L/min) ...34
Tabela 9 – Demanda residencial não potável ...47
Tabela 10 – Consumo de água não potável...48
Tabela 11 – Volume mensal de produção de água da chuva ...49
Tabela 12 – Dados da eficiência mensal do sistema ...50
Tabela 13 – Eficiência do sistema de aproveitamento de águas pluviais...51
Tabela 14 – Tarifa de água para a cidade de Criciúma...67
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 – Cálculo da vazão de projeto ...30
Equação 2 – Fórmula de Manning-Strickler ...30
Equação 3 – Cálculo volume de água de chuva aproveitável ...36
Equação 4 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método de Rippl ...37
Equação 5 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método da Simulação..37
Equação 6 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Azevedo Neto .38 Equação 7 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Prático Alemão ...38
Equação 8 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Prático Inglês..39
Equação 9 – Cálculo volume da chuva pelo Método Prático Australiano...39
Equação 10 – Cálculo volume do reservatório pelo Método Prático Australiano ...40
Equação 11 – Cálculo da área de coleta em superfície inclinada ...45
Equação 12 – Cálculo da vazão de projeto ...45
Equação 13 – Cálculo do volume de produção mensal de águas pluviais ...48
Equação 14 - Cálculo da área mínima de contribuição ...49
Equação 15 - Cálculo da eficiência do sistema de aproveitamento ...50
Equação 16 – Cálculo do Raio Hidráulico ...52
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANA – Agência Nacional de Águas
Carga/hab/dia – carga por habitante por dia cm – centímetros
Descarga/hab/dia – descargas por habitante por dia
Epagri – Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina IDF – Intensidade-Duração-Frequência
L/ciclo – litros por ciclo L/d, L/dia – litros por dia
L/descarga – litros por descarga L/lavagem – litros por lavagem
L/m²/dia – litros por metro quadrado por dia L/mês – litros por mês
L/min – litros por minuto L/s – litros por segundo
Lavagem/mês – lavagem por mês m – metros
m² – metros quadrados m³ – metros cúbicos
m³/ano – metros cúbicos por ano m³/mês – metros cúbicos por mês m³/min – metros cúbicos por minuto mm – milímetros
mm/h – milímetros por hora mm/mês – milímetros por mês mm/min – milímetros por minuto
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora
PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico R$ – Reais
SC – Santa Catarina vol. – volume
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...14 1.1 TEMA ...14 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA...14 1.3 PROBLEMAS DE PESQUISA...15 1.4 OBJETIVOS ...15 1.4.1 Geral...15 1.4.2 Específicos ...15 1.5 JUSTFICATIVA ...16 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO...16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...18
2.1 Disponibilidade de Recursos Hídricos em Nível Mundial ...18
2.2 Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil ...19
2.3 O Ciclo da Água ...21
2.4 Reaproveitamento da Água Pluvial ...22
2.5 Vantagens do Aproveitamento da Água Pluvial ...23
3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUAS PLUVIAIS EM RESIDENCIAS DE INTERESSE SOCIAL...24
3.1 Fluxograma do Modelo do Sistema de Captação de Água da Chuva ...25
3.2 Consumo em Residências de Interesse Social ...26
3.3 Precipitação...26 3.4 Área de Contribuição...27 3.5 Calhas e Condutores...29 3.6 Reservatório ...34 3.7 Bombeamento ...40 4 METODOLOGIA ...41
4.1 Levantamento dos Dados Pluviométricos ...42
4.2 Determinação da Área de Coleta e Vazão de Projeto...42
4.3 Determinação do Coeficiente de Escoamento ...46
4.4 Estimativa da Demanda de Água Não Potável...46
4.5 Determinação do Volume de Produção Mensal de Águas Pluviais...48
4.6 Determinação da Eficiência do Sistema de Aproveitamento ...49
4.7.1 Determinação do raio hidráulico...52
4.7.2 Determinação da área da seção molhada da calha ...52
4.7.3 Determinação da vazão das calhas ...53
4.8 Dimensionamento do Reservatório de Descarte ...54
4.9 Dimensionamento do Reservatório ...55
4.10 Dimensionamento da Bomba ...57
4.11 Projeto do Sistema: Dispositivos e Detalhamentos ...57
4.12 Relação Custo x Benefício ...67
4.13 Desenvolvimento de um Programa Para Pré-dimensionamento de um Sistema de Captação e Aproveitamento da Água da Chuva para Residencias de Interesse Social ...70
5 CONCLUSÃO ...74
6 SUGESTÕES ...75
1 INTRODUÇÃO
A água é um recurso insubstituível e essencial para a vida de todos os seres vivos, pois além de suprir suas necessidades de sobrevivência, é também um recurso fundamental nas atividades econômicas, pois é responsável pelo desenvolvimento de muitas civilizações, bem como atividades agrícolas e tecnológicas.
Porém, este recurso está tornando-se cada vez mais escasso, devido à destruição causada pelo próprio homem. Destruição de rios, lagos, represas, contaminação da água com despejos de resíduos tóxicos, vem causando a diminuição da qualidade da água no planeta.
O aproveitamento de água é uma prática que vem sendo aplicado há anos em todo o mundo como medida para minimizar sua escassez. Diante disso, devemos considerar como uma atividade mais abrangente, que compreende também o controle de perdas e desperdícios, a minimização da produção de efluentes e do consumo de água, que devem ser objetivos a serem perseguidos por cada cidadão.
Esta pesquisa tem como finalidade a análise da implantação de um sistema para captação e armazenamento de águas pluviais em residências de interesse social, focando a viabilidade técnica/econômica do projeto, como alternativa para reduzir custos com água tratada e contribuir com o meio ambiente, proporcionando uma correta destinação desse bem.
1.1 TEMA
Aproveitamento de águas pluviais.
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Estudo da viabilidade técnica e econômica do uso de água da chuva em residências de interesse social.
1.3 PROBLEMAS DE PESQUISA
Atualmente com o crescimento acelerado populacional, a escassez hídrica tem se tornado um sério problema mundial, o que têm alertado para que pesquisadores e engenheiros busquem medidas e soluções para o gerenciamento destes recursos, levando-se em consideração os aspectos sociais, econômicos, técnicos e ambientais.
É neste contexto que o presente estudo pretende fazer a avaliação técnica-econômica de um sistema para aproveitamento de águas pluviais em residências de interesse social.
Desta forma serão avaliadas as seguintes questões: - O sistema é tecnicamente viável?
- O custo do sistema proposto para a captação e aproveitamento da água da chuva para residências de interesse social será um fator determinante no custo total da obra? Se o sistema for implantado, qual o tempo de retorno para o investimento?
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Geral
Analisar a viabilidade técnica e econômica do uso de água da chuva em residências de interesse social.
1.4.2 Específicos
• Projetar e quantificar um sistema de captação, armazenamento e uso da água da chuva em residências de interesse social para diferentes áreas de captação;
• Orçar o custo do sistema de captação e armazenamento de água da chuva; • Analisar o custo benefício do sistema de captação de água da chuva;
• Propor alternativas para viabilizar a adoção do sistema de captação de água da chuva;
• Desenvolvimento de um programa para pré-dimensionamento de um sistema de captação e aproveitamento da água da chuva;
• Contribuir com a conscientização da população da necessidade do aproveitamento da água pluvial, minimizando impactos ambientais.
1.5 JUSTFICATIVA
Nos dias atuais, existe uma grande preocupação da sociedade em relação à conservação dos recursos naturais. Dentre alguns destes recursos, a água é um dos mais valiosos, uma vez que é indispensável para a vida no nosso planeta.
Segundo Thomas (2003) estima-se que as necessidades hídricas mundiais devam dobrar nos próximos 25 anos, e que quatro bilhões de pessoas - metade da população mundial - poderão enfrentar grave escassez de recursos hídricos até o ano 2025. Esta escassez além de ser resultante de precipitações irregulares é também fruto principalmente da ação humana identificada no deficitário manejo dos recursos hídricos, relacionados a poluição hídrica, altos níveis de perdas no sistema de abastecimento e um alto desperdício de água pelo usuário final, que geram grandes pressões nos sistemas de abastecimento de água dos centros urbanos.
Medidas a fim de reduzir o consumo e a busca por fontes alternativas de água vêm se tornando cada vez mais freqüentes e necessárias. Uma das alternativas para reduzir o consumo de água é o desenvolvimento de um sistema para o aproveitamento da água da chuva para utilização em fins não potáveis.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho é dividido em cinco partes. A primeira parte corresponde a uma breve introdução do assunto a ser estudado, assim como o problema de pesquisa, objetivos e justificativas.
A segunda parte, apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre a disponibilidade de água no Brasil e no mundo, a questão do aproveitamento de águas pluviais, entre outros assuntos pertinentes a este estudo.
Na terceira parte será mostrada a metodologia aplicada ao estudo para o desenvolvimento do sistema para captação e aproveitamento de águas pluviais para residencias de interesse social.
A quarta parte refere-se a análise técnico/econômica e aos resultados obtidos com o desenvolvimento do sistema.
Na quinta parte, por fim serão apresentados as conclusões relativas ao desenvolvimento do trabalho, assim como sugestões para futuras pesquisas.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Disponibilidade de Recursos Hídricos em Nível Mundial
Recurso hídrico pode ser entendido como sendo todos e quaisquer recursos de água, encontrados tanto na superfície quanto em subterrâneos, em uma determinada região ou bacia hidrográfica, a qual é destinada para qualquer uso. (MARINOSKI, 2007).
A água tem se tornado um elemento de disputa entre nações. Segundo um relatório do Banco Mundial, datado de 1995, a população é alertada para o fato de que as próximas guerras entre nações não será mais por motivos políticos ou por causa do petróleo, mas sim por causa da água. Atualmente, distribuídos em 26 países, estão 250 milhões de pessoas enfrentando escassez crônica de água. Em 30 anos, o número de pessoas saltará para 3 bilhões contidos em 52 países.
Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS, 1999), o consumo mundial de água aumentou mais de seis vezes em menos de um século, mais de que o dobro das taxas de crescimento da população, e continua a crescer.
Do volume total de água no planeta, estimasse que apenas 2,5% seja água potável, sendo que apenas 0,3% deste total se encontram em lagos, rios e reservatórios, estando o restante distribuído na biomassa e na atmosfera sob a forma de vapor. Deste modo, estima-se que somente 0,01% de toda a água doce do planeta encontram-se em locais de simples acesso para o consumo humano. (UNIÁGUA, 2006).
Ao estudar estes números, podemos perceber que o consumo de água cresce em um ritmo acelerado, e que a quantidade de água potável em todo o mundo é limitada. Apesar de os recursos hídricos parecerem infinitos, estão localizados em regiões remotas e de difícil acesso, tais como pólos, reservatórios subterrâneos, selvas tropicais, entre outros, o que agrava a situação, pois a grande maioria não tem acesso a esses locais.
Com relação posição geográfica, a água no planeta encontra-se distribuída de forma não uniforme, sendo que os maiores volume disponíveis se encontram na Ásia e na América do Sul. Totalizando 31,6% e alcançando vazões de 458.000 km³/ano, a Ásia detém a maior parcela mundial deste recurso. Os menores
potenciais são encontrados na Oceania, Austrália e Tasmânia (TOMAZ, 1998). Os valores de produção hídrica por região do mundo estão apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 - Produção hídrica no mundo por região
Região do Mundo Vazão (km³/ano) Porcentagem
Ásia 458.000 32 América do Sul 334.000 23 América do Norte 260.000 18 África 145.000 10 Europa 102.000 7 Antártida 73.000 5 Oceania 65.000 4 Austrália e Tasmânia 11.000 1 Total 1.448.000 100 Fonte: TOMAZ, 1998
Diante disso tudo, duas são as sugestões para diminuir a escassez de água mundialmente: aumentar a sua disponibilidade e utilizá-la com mais eficácia. Porém, para aumentar a sua disponibilidade, seria necessário o aproveitamento das geleiras, e a dessalinização da água do mar, visto que estas duas juntas formam o maior volume de água existente no mundo. Porém, esses processos são muito caros e tornam-se inviáveis para a maioria dos países que sofrem com o problema de escassez. É possível, ainda, intensificar o uso dos estoques subterrâneos profundos, o que implica utilizar tecnologias de alto custo e o rebaixamento do lençol freático.
2.2 Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil
O Brasil possui uma disponibilidade hídrica estimada em 35.732 m³/hab/ano, por tal motivo é considerado como sendo um país “rico em água”. Além disso, o Brasil conta com 12% da quantidade total de água doce no mundo em relação ao potencial hídrico mundial. (TOMAZ, 2001a).
O Brasil se destaca entre os países da América do Sul, por possuir 53% da vazão média total da América do Sul, o que corresponde a um volume de 177.900 km³/ano.
Tabela 2 - Vazão média de água no Brasil em comparação com outros países da América do Sul
América do Sul Vazão (km³/ano) Porcentagem
Brasil 177.900 53
Outros Países 156.100 47
Total 334.000 100
Fonte: TOMAZ, 1998
O Brasil apresenta uma grande disponibilidade de recursos hídricos, mas isso não significa dizer que estão distribuídos uniformemente pelo país, muito pelo contrário, o que gera um grande desequilíbrio entre oferta de água e demanda.
Verificam-se no Brasil, que as regiões mais populosas são justamente as que possuem uma menor disponibilidade de água, e em contra partida por outro lado onde há muita água ocorre baixo índice populacional. A exemplo disso pode-se citar a Região Sudeste do Brasil, que dispõe de um potencial hídrico de apenas 6% do total nacional, porém conta com 43% do total de habitantes do país, enquanto a Região Norte, que compreende a Bacia Amazônica - região que detém a maior bacia fluvial do mundo, onde o volume d'água do rio Amazonas corresponde ao maior do globo, o que o torna um rio essencial para o planeta - apresenta 69% de água disponível, contando com apenas 8% da população brasileira (GHISI, 2006).
Vale ressaltar ainda, que rios como Madeira, o Cuiabá e o Paraguai (localizados no Amazonas e Pantanal) e muitos lagos brasileiro vêm sendo comprometidos pela queda de qualidade da água devido a contaminação pelo mercúrio, metal utilizado no garimpo clandestino, enquanto rios como Guaíba em Porto Alegre, lago Paranoá em Brasília, rio Turvo, rio Sorocaba e Tietê na grande São Paulo, são comprometidos da qualidade devido aos despejos domésticos e industriais.
Devido ao fato de o território brasileiro apresentar grande disponibilidade de recurso hídrico e de não estar distribuído uniformemente pelo país, o que provoca um grande desequilíbrio entre oferta de água e demanda, isto significa que a abundância de água não necessariamente indica qualidade do recurso, pois a concentração urbana está na contramão desta disponibilidade hídrica (ALVES, 2009). A Tabela 3 mostra a proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil.
Tabela 3 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco regiões do Brasil
Região do Brasil Área Territorial (%) Disponibilidade de água (%) População (%) Norte 45 69 8 Nordeste 18 3 28 Sudeste 11 6 43 Sul 7 6 15 Centro-Oeste 19 15 7 Fonte: GHISI, 2006 2.3 O Ciclo da Água
Em circunstâncias normais, a água é a única substância que existe em todos os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) na Natureza. Por tal motivo, a coexistência destes três estados implica na transferência contínua de água de um estado para outro, chamado de ciclo hidrológico, devido a esta seqüência fechada de fenômenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera.
A água da evapotranspiração (nome cientifico dado ao vapor de água obtido da transpiração e da evaporação) forma nuvens a partir do seu condensamento momento em que atinge certo nível da atmosfera. Gotículas são formadas pelo condensamento do vapor de água nas nuvens que permanecem em suspensão na atmosfera. Estas gotículas, sob certas condições, agregam-se formando gotas maiores que se precipitam, ou seja, formam as chuvas. A chuva pode infiltrar-se e formar um aqüífero ou um lençol freático, ou pode simplesmente escoar superficialmente até chegar a um rio, lago ou oceano, onde o ciclo continua (WHIKIPEDIA).
Na Figura 1 é mostrado o ciclo hidrológico, ocasionado pela transferência continua de água de um estado para outro, devido a seqüência fechada de fenômenos pelos quais a água passa do globo terrestre para a atmosfera.
Figura 1 - Ciclo da água
Fonte: httpaguafontedevida.files.wordpress.com200804ciclo-da-agua11.jpg
2.4 Reaproveitamento da Água Pluvial
Para que os impactos ambientais provocados pela escassez de água possam ser minimizados é necessário o desenvolvimento de novas formas de utilização deste recurso, e a captação da água da chuva é uma dessas formas. (GONÇALVES, 2006).
Cresce o número de grandes cidades e regiões metropolitanas brasileiras que vivem situação de escassez e degradação dos recursos hídricos, o que torna necessário a adoção de programas de conservação de água.
Entre os programas de conservação de recursos hídricos, sobressai o de substituição de fontes. Consiste basicamente em desenvolver novas fontes de recursos hídricos em substituição às já existentes, especialmente sob condições em que a nova fonte sirva a usos menos exigentes (menos "nobres"). O aproveitamento de água da chuva em edificações para utilização em fins não potáveis se enquadra nessa categoria.(REVISTA TECHNE, 2010)
2.5 Vantagens do Aproveitamento da Água Pluvial
A captação e aproveitamento da água da chuva é uma prática muito difundida em países como a Alemanha e Austrália, pois novos sistemas vêm sendo estudados e desenvolvidos, permitindo uma captação de água de boa qualidade de maneira simples e bastante efetiva em termos de custo benefício. A utilização de água de chuva traz várias vantagens (AQUASTOCK, 2005):
• Redução do consumo de água da rede pública e do custo de fornecimento da mesma,
• Evita a utilização de água potável onde esta não é necessária, como por exemplo, na descarga de vasos sanitários, irrigação de jardins, lavagem de pisos, etc.;
• Os investimentos de tempo, atenção e dinheiro são mínimos para adotar a captação de água pluvial na grande maioria dos telhados, e o retorno do investimento é sempre positivo;
• Faz sentido ecológica e financeiramente não desperdiçar um recurso natural escasso em toda a cidade, e disponível em abundância no nosso telhado; • Ajuda a conter as enchentes, represando parte da água que teria de ser
drenada para galerias e rios.
• Encoraja a conservação de água, a auto-suficiência e uma postura ativa perante os problemas ambientais da cidade.
3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUAS PLUVIAIS EM RESIDENCIAS DE INTERESSE SOCIAL
O sistema de aproveitamento de águas pluviais além da sua conservação, também reduz o escoamento superficial o que conseqüentemente tende a diminuir o risco de inundações, devido ao fato de as cargas nos sistemas de coleta ser menor. A fim de garantir para o sistema características como funcionalidade, segurança, higiene, durabilidade e economia, devem-se elaborar projetos de captação, transporte e armazenamento da água pluvial, de acordo com os requisitos para tal.
Para dimensionar um sistema de aproveitamento da água da chuva para residências de interesse social, devem-se levar em consideração dois fatores muito importantes: a determinação da demanda de consumo e os estudos das séries históricas de precipitação da região.
O sistema proposto tem por objetivo a utilização da água pluvial para uso de fins não potáveis, tais como: descargas de bacias sanitárias, irrigação de gramados e plantas ornamentais, lavagem de veículos, limpeza de calçadas e ruas e limpeza de pátios. A água da chuva considerada para esses usos é a água resultante de precipitações atmosféricas coletada em coberturas e telhados, onde não haja circulação de pessoas, veículos ou animais.
Figura 2 - Esquema de funcionamento do sistema de aproveitamento Fonte: (BELLA CALHA, 2007).
3.1 Fluxograma do Modelo do Sistema de Captação de Água da Chuva
Na Figura 3 está representado o fluxograma do sistema proposto para captação e armazenamento de água pluvial para fins não potáveis.
Figura 3 – Fluxograma do Sistema Fonte: Arquivo do autor
3.2 Consumo em Residências de Interesse Social
Diversos estudos atuais apontam valores referentes ao consumo de água que podem ser atendidos com as águas pluviais em uma residência. A Tabela 4 mostra a demanda de água não potável em uma residência de interesse social, bem como a freqüência da realização da atividade além do volume consumido por cada uma.
Tabela 4 – Demanda residencial não potável
Demanda Interna Quantidade Unidade
Vaso Sanitário – Volume 6 – 15 L/descarga
Vaso Sanitário – Freqüência 4 - 6 Descarga/hab/dia
Demanda Externa Quantidade Unidade
Rega de Jardim – Volume 2 L/m²/dia
Rega de Jardim – Freqüência 8 – 12 Lavagem/mês Lavagem de Carro – Volume 80 – 150 L/lavagem/carro Lavagem de Carro – Freqüência 1 - 4 Lavagem/mês Fonte: Tomaz (2000 adaptado apud PROSAB, 2006)
3.3 Precipitação
Entende-se por precipitação como sendo a água que chega à superfície terrestre provinda da atmosfera. A precipitação inclui a água da neve, granizo, orvalho, neblina, geada e a chuva. A chuva é o tipo de precipitação que acontece com mais freqüente e é mais fácil de ser medida, e a mesma também pode causar problemas de escoamento superficial. (KOCH, 2008).
Dentre os tipos de precipitação, a chuva é o elemento climático de maior variação, sendo que com grande intensidade pode causar enormes transtornos, desde a erosão do solo - principalmente em áreas rurais - como inundações em áreas urbanas, provocados devido a impermeabilização das ruas e casas, causando inúmeros prejuízos à população.
Através de equipamentos denominados pluviômetros ou pluviógrafos (Figura 4), centros especializados em monitoramento de fenômenos climatológicos
armazenam informações e estatísticas referentes ao fenômeno para poder determinar a quantidade de água que caí e fica acumulada sobre uma superfície plana e impermeável. Os pluviômetros são equipamentos simples dotados de recipientes que registram a altura de água (expressa em mm), onde medindo-se o tempo entre o início e o fim da precipitação (em horas ou minutos) pode-se então obter a intensidade da chuva, que é a razão entre a altura da água pelo período de duração dado em mm/h ou mm/min. (KOCH, 2008).
Figura 4 – Pluviômetro
Fonte: Disponível em: <www.casadolaboratorio.com.br> (2008)
3.4 Área de Contribuição
Para um sistema de reaproveitamento de águas pluviais, é mais comum a utilização da água provenientes da superfície de telhados ou do solo, porém deve-se ressaltar que a água proveniente do telhado apresenta uma melhor qualidade. E pelo fato de não entrar em contato com o solo e rochas que dissolvem sais minerais e sujeita à poluentes, a qualidade da água da chuva geralmente supera as águas superficiais e profundas. Outras duas variáveis podem influenciar a qualidade da água proveniente da chuva: o tipo de telhado e a qualidade do ar local. Um sistema de aproveitamento deve ser composto pela área de captação, tubulação para condução da água, telas ou filtros para a remoção de materiais grosseiros (folhas e galhos) e reservatório de armazenamento. (PROSAB, 2006).
A área de contribuição pode ser inclinada ou plana, de telhas de cerâmica, fibrocimento, zinco, aço galvanizado, plástico, vidro, acrílico, concreto. É válido ressaltar que em superfícies planas deve-se deixar uma declividade mínima de 0,5%, afim de evitar empoçamentos, garantindo o caimento da água.
Uma variável importante de ser considerada é o coeficiente de escoamento, onde para utilização nas coberturas, deve-se dar preferência para materiais com maior coeficiente de escoamento (C), ou seja, materiais com menor índice de absorção de água, afim de minimizar perdas (devido à limpeza do telhado, perda por evaporação, auto-limpeza, entre outros), pois nem toda água precipitada é escoada. Segundo Tomaz (2003), o escoamento superficial conhecido pelo coeficiente de Runoff, é o quociente entre a água que escoa superficialmente pelo total de água precipitada. Na Tabela 5 é mostrado de acordo com os materiais utilizados no sistema os coeficientes de escoamento, onde variaram de 0,27 a 0,95.
Tabela 5 – Faixa do Coeficiente de escoamento superficial para cada tipo de material, de diferentes autores.
Material Faixa de C Fonte
Telha Cerâmica 0,80 – 0,90 Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003)
0,75 – 0,90 Van den Bossche apud Vaes e Berlamont (1999) 0,56 Khan apud May (2005)
Telha Metálica 0,70 - 0,90 Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003) 0,85 Khan apud May (2005)
Telha Esmaltada
0,80 – 0,90 Van den Bossche apud Vaes e Berlamont (1999) Cobertura PVC 0,94 Khan apud May (2005)
Betume 0,80 – 0,95 Van den Bossche apud Vaes e Berlamont (1999) Telhas Verdes 0,27 Khan apud May (2005)
Pavimentos 0,40 – 0,90 Wilken apud Tomaz (2003) 0,68 Khan apud May (2005) Fonte: PROSAB ,2006.
Entende-se como área de contribuição toda a área de coberturas, lajes ou paredes que são diretamente atingidas pela chuva.
Segundo Borges (1992), no cálculo da área de contribuição, além da área plana horizontal, devem-se considerar os incrementos devidos à inclinação da cobertura e as paredes que interceptem água de chuva que também deve ser drenada pela cobertura.
Figura 5 – Desenho esquemático das dimensões do telhado Fonte: NBR 10844, (1989, p. 5)
3.5 Calhas e Condutores
Para proceder com o dimensionamento das calhas , variáveis como vazão de projeto, a intensidade pluviométrica e o período de retorno devem ser levados em consideração. É necessário também a instalação de dispositivos como grades ou telas, que terão como função remover os detritos, evitando desta forma, a entrada de folhas, gravetos e outros materiais no reservatório de armazenamento, evitando assim com que a água perca sua qualidade. (KOCH, 2008).
Figura 6 – Sistema de grade localizada sobre a calha Fonte: Waterfall (2002 apud May, 2004)
O descarte da água de escoamento inicial deve ser dimensionado pelo projetista, podendo ser automático ou manual dependendo a qual classe da população o projeto deve atender, pois é um item que dependendo da escolha, pode encarecer significativamente o custo do sistema.
Estudos técnicos evidenciam que a mais poluída das chuvas é a primeira, pois é a responsável por lavar a atmosfera e toda a superfície de captação. O
reservatório de descarte retém temporariamente a água coletada na fase inicial e os volumes descartados são determinados em função da qualidade da água durante as fases iniciais de precipitação. (PROSAB, 2006).
Quando não há dados suficientes, a NBR 15527/2007 recomenda que o descarte de água seja de 2 mm da precipitação inicial.
As calhas de beiral devem ter uma inclinação mínima de 0,5%, devendo ser fixadas centralmente sob a extremidade da cobertura ou o mais próximo possível dela. É bom ressaltar que quando em uma das extremidades não houver saída de água, a NBR 10844/1989 determina que a vazão de projeto deve ser a correspondente à maior das áreas de contribuição. Extravasores devem ser instalados como medidas de segurança, afim de evitar transbordamentos.
A vazão de projeto para um pré-dimensionamento das calhas e condutores é mostrado na Equação 1, citada na NBR 10844 (ABNT, 1989):
60 .A
I
Q=
Equação 1 – Cálculo da vazão de projeto Fonte: NBR 10844/1989
Em que Q = vazão de projeto, em L/min; I = intensidade pluviométrica, dada em mm/h; A = área de contribuição, em m². Para o dimensionamento das calhas, deve-se utilizar a Equação 2, de Manning-Strickler, ou outra equivalente:
2 1 3 2 . . . R i n S K Q= H
Equação 2 – Fórmula de Manning-Strickler Fonte: NBR 10844/1989
Onde:
Q = vazão de projeto, em L/min;
S = Área da seção molhada, em metros quadrados (m²); n = coeficiente de rugosidade;
RH = Raio hidráulico, em metros (m);
RH = S/P perímetro molhado, em metros (m);
i = declividade da calha, em metros por metro (m/m); K = 60.000
A Tabela 6 a seguir apresenta os coeficientes de rugosidade utilizados para o dimensionamento de calhas pela fórmula de Manning-Strickler:
Tabela 6 – Coeficiente de Rugosidade
Material n
Plástico, fibrocimento, aço, metais não ferrosos 0,011 Ferro fundido, concreto alisado, alvenaria revestida 0,012
Cerâmica, concreto não alisado 0,013
Alvenaria de tijolos não revestida 0,015
Fonte: NBR 10844/1989
A norma NBR 10844/1989 fornece para calhas semicirculares, quando utilizado o coeficiente de rugosidade n = 0,011, valores das capacidades com diferentes valores de declividades.
Esses valores calculados pela fórmula de Manning-Strickler, considerando a lâmina de água igual à metade do diâmetro interno resultam nos valores demosntrados na Tabela 7.
Tabela 7 – Capacidades de calhas semicirculares com coeficiente de rugosidade n = 0,011 (vazão em L/min) Diâmetro Declividades Interno (mm) 0,5 % 1,0 % 2,0 % 100 130 183 256 125 236 333 466 150 384 541 757 200 829 1167 1634 Fonte: NBR 10844/1989
A Norma Brasileira NBR 10844/1989, recomenda que para condutores verticais a seção circular mínima interna deve ser de 70 mm. Vazão de projeto, altura da lâmina d’água e o comprimento do condutor vertical são informações importantes para o dimensionamento.
A norma ainda apresenta ábacos para a determinação do diâmetro mínimo dos condutores verticais, que são mostrados nas Figuras 7 e 8 a seguir:
Figura 7– Ábaco para a determinação de diâmetros de condutores verticais Fonte: NBR 10844/1989
Figura 8 – Ábaco para a determinação de diâmetros de condutores verticais Fonte: NBR 10844/1989
Para o dimensionamento dos condutores horizontais de seção circular, os mesmos devem ser dimensionados de modo que a lâmina d’água deve escoar numa altura igual a 2/3 do diâmetro interno 41 (D) do tubo. Deve-se ressaltar que sempre que houver trechos retilíneos a cada 20 metros, mudança de declividade, mudança de direção ou conexão com outras tubulações, deve ser previstas inspeções. (KOCH, 2008).
A norma NBR 10844/1989 apresenta na Tabela 8, as capacidades de vazão dos condutores horizontais com seção circular, onde para a obtenção dos dados a lâmina d’água considerada foi de 2/3 do diâmetro, por meio da formula de Manning-Strickler.
Tabela 8 - Capacidade de condutores horizontais de seção circular (vazão em L/min) Diâmetro n = 0,011 Interno (mm) 0,5 % 1,0 % 2,0 % 4,0 % 50 32 45 64 90 75 95 133 188 267 100 204 287 405 575 125 370 521 735 1040 150 602 847 1190 1690 200 1300 1820 2570 3650 250 2350 3310 4660 6620 300 3820 5380 7590 10800 Diâmetro n = 0,012 Interno (mm) 0,5 % 1,0 % 2,0 % 4,0 % 50 29 41 59 83 75 87 122 172 245 100 187 264 372 527 125 339 478 674 956 150 552 777 1110 1550 200 1190 1670 2360 3350 250 2150 3030 4280 6070 300 3500 4930 6960 9870 Diâmetro n = 0,013 Interno (mm) 0,5 % 1,0 % 2,0 % 4,0 % 50 27 38 54 76 75 80 113 159 226 100 173 243 343 486 125 313 441 622 882 150 509 717 1010 1430 200 1100 1540 2180 3040 250 1990 2800 3950 5600 300 3230 4550 6420 9110 Fonte: NBR 10844/1989 3.6 Reservatório
O reservatório ou cisterna, como também é conhecido no Brasil, é um dispositivo utilizado no sistema de aproveitamento de águas pluviais, que tem por
finalidade servir como armazenador da água da chuva e, consequentemente suprir a demanda por água não potável da edificação.
Dependendo do local onde será instalado e do tipo de edificação que o mesmo será incorporado, o reservatório pode ser construído de diferentes materiais como concreto armado, placas de concreto pré-moldado, alvenaria, fibra de vidro, entre outros. Porém para esta escolha deve-se avaliar a disponibilidade do material, a agressividade da água que será armazenada e do ar atmosférico do local.
O reservatório de armazenamento é um dos componentes mais dispendioso do sistema de coleta e aproveitamento de águas pluviais, portanto, deve ser dimensionado com bastante critério para tornar viável a implementação dos sistemas de coleta e aproveitamento de águas pluviais. (ANA, 2005).
A disposição do reservatório na edificação depende das condições do terreno e da disponibilidade de área, podendo ser elevado, semi-enterrado ou enterrado. Os reservatórios elevados têm a vantagem de não necessitar bombeamento, diferentemente dos semi-enterrados e enterrados. (KOCH, 2008).
Segundo PROSAB (2006) devem-se tomar alguns cuidados quanto aos reservatórios, visando à manutenção e garantia da qualidade da água:
• As paredes e a cobertura do reservatório devem ser impermeáveis;
• Deve-se evitar a entrada de luz no reservatório para evitar a proliferação de algas;
• A entrada da água no reservatório e o extravasor devem ser protegidos por telas para evitar a entrada de insetos e pequenos animais;
• O reservatório deve ser dotado de uma abertura, também chamada de visita para inspeção e limpeza;
• A água deve entrar no reservatório de maneira a não provocar turbulência, evitando a ressuspensão dos sólidos depositados no fundo do mesmo;
• O reservatório deve ser limpo uma vez por ano para a retirada do lodo depositado no fundo.
Para desenvolver o projeto de dimensionamento de um reservatório, a demanda de água da chuva é fundamentada no método da seca máxima anual, onde considera-se os pontos de aplicação da edificação, por meio de dados pluviométrico da região, como o número de dias sem chuva e a precipitação anual.
O número de dias consecutivos sem chuva, ou período de estiagem, é obtido por meio de estudos estatísticos e é a base de cálculo para o dimensionamento do reservatório. (KOCH, 2008).
Para o cálculo de volume do reservatório, é essencial basear-se em critérios técnicos, econômicos e ambientais, podendo-se utilizar diferentes métodos a critério do projetista desde que justificado, sempre atendendo às disposições normativas. O critério a ser escolhido para o dimensionamento deve ser bem estudado, pois os valores obtidos com os diferentes tipos de métodos podem diminuir ou elevar o custo final do sistema.
O escoamento superficial da cobertura e eficiência do sistema de descarte do escoamento inicial, são variáveis que influem diretamente no volume de água, e é dado pela seguinte Equação 3.
correção de fator C A P V = . . .η _ _
Equação 3 – Cálculo volume de água de chuva aproveitável Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
V = volume anual, mensal ou diário de água de chuva potável; P = precipitação média anual, mensal ou diária;
A = área de coleta;
C = coeficiente de escoamento superficial da cobertura;
n (fator de correção) = eficiência do sistema de captação, levando em conta o dispositivo de descarte de sólidos e desvio de escoamento inicial, caso este último seja utilizado.
De acordo com a norma NBR 15527, o dimensionamento de um reservatório pode ser calculado pelos métodos de Rippl, MSR (Método da Simulação de Reservatório), Método Australiano, Azevedo Netto, pelo Método Prático Alemão ou o Método Prático Inglês:
• Método de Rippl – para Garcez (1974), é um método de cálculo com propósito de calcular o volume necessário para garantir uma vazão constante durante o período de estiagem mais crítico. O método é baseado no diagrama de Rippl e
comumente é utilizado para o dimensionamento de reservatórios destinados ao abastecimento público, irrigação, controle de enchentes e regularização de cursos d’água. O volume útil do reservatório para uma determinada vazão regularizada é definido pela utilização do diagrama de massa, correspondendo ao volume de maior déficit existente na série histórica.
O método usa das séries históricas mensais ou diárias e é definido pela Equação 4 a seguir: ) ( ) ( ) (t Dt Qt S = −
Equação 4 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método de Rippl Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
Q(t) = C x precipitação da chuva(t) x área de captação, sendo o resultado o volume de chuva aproveitável no tempo t;
) (t S
V =∑
somente para valores S(t) > 0;
S(t) = volume de água no reservatório no tempo t; D(t) = demanda ou consumo no tempo t;
V = Volume do reservatório;
C = Coeficiente de escoamento superficial.
• Método da Simulação de Reservatório (MSR) – É um método que tem por princípio aplicar uma equação da continuidade a um reservatório finito, em um dado mês, sem considerar a evaporação da água da chuva. Para a utilização deste método, utiliza-se a Equação 5, devendo ser consideradas duas hipóteses, considerando-se cheio no início da contagem do tempo “t”, sendo os dados históricos representativos para as condições futuras: (KOCH, 2008).
) ( ) 1 ( )) ( ) (t Qt St Dt S = + − −
Equação 5 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método da Simulação Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
Q(t) = C x precipitação da chuva(t) x área de captação, sendo que 0 ≤ S(t) ≤ V S(t) = volume de água no reservatório no tempo t;
S(t –1) = volume de água no reservatório no tempo t - 1; Q(t) = volume de chuva no tempo t;
D(t) = demanda ou consumo no tempo t; V = Volume do reservatório fixado;
C = Coeficiente de escoamento superficial.
• Método Azevedo Neto – Método onde o volume da chuva é obtido pela Equação 6.
T A P V =0,042. . .
Equação 6 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Azevedo Neto Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
P = Valor numérico da precipitação média anual, expresso em milímetros (mm); T = Valor numérico do número de meses de pouca chuva ou seca;
A = Valor numérico da área de coleta em projeção, expresso em metros quadrados (m²)
V = Valor numérico do volume de água aproveitável e o volume de água do reservatório expresso em litros (L).
• Método Prático Alemão – Método empírico que adota como sendo o volume do reservatório o menor valor dado entre 6 % do volume anual de consumo ou 6% do volume anual de precipitação aproveitável. A Equação 7 mostra o cálculo pelo método prático alemão:
Vadotado = mín (V;D)x0,06
Vadotado = mínimo de (volume anual precipitado aproveitável e o volume anual de
consumo) x 0,06 (6%)
Equação 7 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Prático Alemão Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
V = valor numérico do volume aproveitável de água da chuva anual, expresso em litros (L);
D = Valor numérico da demanda anual da água não potável, expresso em litros (L);
Vadotado = valor numérico do volume de água do reservatório, expresso em litros (L).
• Método Prático Inglês – O volume do reservatório é obtido através da Equação 8.
A P V =0,05. .
Equação 8 – Cálculo de dimensionamento do reservatório, Método Prático Inglês Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
P = Valor numérico da precipitação média anual, expresso em milímetros (mm); A = Valor numérico da área de coleta em projeção, expresso em metros quadrados (m²)
V = Valor numérico do volume de água aproveitável e o volume de água da cisterna, expresso em litros (L).
• Método Prático Australiano – Com a Equação 9 a seguir é possível se obter o volume de chuva ) .( .C P I A Q= −
Equação 9 – Cálculo volume da chuva pelo Método Prático Australiano Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
C = Coeficiente de escoamento superficial, geralmente 0,80; P = Precipitação média mensal;
I = Interceptação de água que molha as superfícies e perdas por evaporação, geralmente 2 mm;
A = Área de coleta
Através da Equação 10, é possível obter por meio de tentativas, o volume do reservatório, até que sejam utilizados valores otimizados de confiança e volume do reservatório. t t t t V Q D V = −1+ −
Equação 10 – Cálculo volume do reservatório pelo Método Prático Australiano Fonte: NBR 15527/2007
Onde:
Qt = Volume mensal produzido pela chuva no mês t; Vt = Volume de água que está no tanque no fim do mês t; Vt-1 = Volume de água que está no tanque no início do mês t; Dt = Demanda mensal
NOTA: Para o primeiro mês, considera-se o reservatório vazio Quando (Vt-1 + Qt – D) <0, então Vt = 0
O volume do tanque escolhido será T.
Confiança: N N Pr = r / Onde: Pr = Falha;
Nr= Número de meses em que o reservatório não atendeu à demanda, quando Vt=0; N = número de meses considerado, geralmente 12 meses;
Confiança = (1-Pr)
3.7 Bombeamento
Para a instalação de bombas, é necessário observar as recomendações das tubulações de sucção e recalque, velocidades mínimas de sucção e seleção do conjunto moto-bomba.
4 METODOLOGIA
Para analisar a viabilidade técnica e econômica de um sistema de aproveitamento de água pluvial para fins não potáveis em residências de interesse social, foi desenvolvida uma metodologia que compreende as seguintes etapas:
• Levantamento dos dados pluviométricos da região; • Determinação das áreas de coleta (telhados); • Determinação do coeficiente de escoamento; • Estimativa da demanda de água não potável;
• Determinação do volume de produção mensal de águas pluviais; • Determinação da eficiência do sistema de aproveitamento; • Dimensionamento das calhas;
• Dimensionamento do reservatório de descarte;
• Dimensionamento do reservatório de armazenamento; • Dimensionamento da bomba;
• Projeto dos sistemas complementares (grades, filtros, tubulações); • Análise econômica da viabilidade de implantação do sistema; • Criação de um programa para pré-dimensionamento do sistema.
Os dados referentes ao levantamento pluviométrico da região foram levantados junto a órgãos competentes, por meio de pesquisa em bibliografias relacionada ao tema, e também por meio de contato pessoal com profissionais da área.
O trabalho foi baseado em residências de interesse social construídas na região de Criciúma. Para determinar o tipo de edificação, foram analisados modelos de edificações construídos com maior freqüência, podendo assim determinar a área de cobertura adotada como padrão para análise técnica e econômica do sistema de captação e aproveitamento da água da chuva em residências de interesse social.
O projeto arquitetônico também foi fundamental para dimensionamento do sistema, pois é através de informações como número de dormitórios e pontos de consumo que se determina a quantidade de pessoas e assim, os dispositivos necessários para o sistema.
Conforme enumerados na revisão bibliográfica, foram analisados os itens definidos pela norma como essenciais para a elaboração de um projeto de aproveitamento da água da chuva para fins não potáveis.
Através de programas computacionais, tais como Auto Cad, Sketchup e Excel, foram realizados os desenhos e cálculos necessários para dimensionamento do sistema, afim de atender a demanda estimada, e calcular a viabilidade econômica.
4.1 Levantamento dos Dados Pluviométricos
Os dados referentes à intensidade pluviométrica foram baseados na tabela elaborada por Back (2002). Os dados pluviométricos utilizados como parâmetros para o dimensionamento do sistema são referentes ao município de Içara, correspondentes aos últimos 32 anos (ano de 1978 a 2009). Para a cidade de Criciúma serão adotados os mesmos valores pela proximidade geográfica.
O período de retorno determinado pela NBR 10844/1989 é de 5 anos, com duração de 5 minutos. Dessa forma, são considerados:
T = 5 anos
Duração = 5 minutos
Intensidade Pluviométrica = 147,70 mm/h (2,46 mm/min).
4.2 Determinação da Área de Coleta e Vazão de Projeto
O presente estudo é limitado ao aproveitamento de águas pluviais em usos domésticos não potáveis em residências de interesse social onde tais usos sejam praticados.
Para efeito deste estudo considerou-se somente a precipitação pluvial sobre coberturas de telhados em residências. Pátios, garagens, jardins e outras áreas similares não são objetos de captação visando o aproveitamento.
O fundamento para captação e aproveitamento de água pluvial para fins não potáveis está associada à demanda de água para estes fins e a precipitação pluvial do local. A quantidade de água a ser aproveitada é diretamente proporcional a área de coleta, ou seja, área do telhado.
Com o objetivo de promover o desenvolvimento de estudos para a implantação de sistemas para captação e aproveitamento de águas pluviais destinados a usos em residências de interesse social para fins não potáveis, o presente trabalho adotou como padrão modelo de casas em torno de 40,50m², em virtude de ser o modelo de planta mais comum na construção de casas de interesse social hoje na região de Criciúma.
A partir deste modelo padrão, serão desenvolvidos programas para dimensionamento de sistemas de aproveitamento de água da chuva para residências de interesse social com diferentes tipos de telhado.
Nas Figuras 9, 10 e 11 é mostrado o modelo de casa adotado como modelo padrão de residência de interesse social para desenvolvimento do sistema de captação e aproveitamento de águas pluviais.
Figura 9 – Planta baixa modelo casa de interesse social A = 40,50m² Fonte: Arquivo do autor
.
Figura 10 – Fachada frontal modelo casa de interesse social A = 40,50m² Fonte: Arquivo do autor
Figura 11 – Fachada lateral modelo casa de interesse social A = 40,50m² Fonte: Arquivo do autor
Os valores referentes à área de coleta e vazão para a casa de interesse social de com área A=40,50m² foram calculados respectivamente, através das equações a seguir:
b h a A . 2 + =
Equação 11 – Cálculo da área de coleta em superfície inclinada Fonte: NBR 10844/1989
Onde as dimensões “a”, “b” e “h” são conforme indicadas na Figura 12.
360 . . AI C
Q=
Equação 12 – Cálculo da vazão de projeto Fonte: NBR 10844/1989
Onde:
Q = Vazão máxima (m³/s)
C = Coeficiente de escoamento superficial I = Intesidadeda chuva (mm/h)
A = Área de coleta (m²)
O modelo de telhado da edificação é apresentado esquematicamente abaixo, e os valores utilizados nas equações para determinar a área de coleta e vazão de projeto estão listados a seguir:
Figura 12 – Desenho esquemático das dimensões do telhado Fonte: NBR 10844, (1989, p. 5) a = 4,68 m h = 1,64 m b = 7,95 m A = 43,67 m2 Q = 0,0014 m³/s Q = 86,00 l/min
4.3 Determinação do Coeficiente de Escoamento
O coeficiente de escoamento superficial é a razão entre a quantidade de água que escoa superficialmente pela quantidade total de água precipitada, e está relacionada diretamente com o tipo de material empregado.
Para o estudo em questão, o material adotado para utilização nas coberturas é a telha cerâmica, pois além de ser um material com um alto coeficiente de escoamento (C = 0,80), é o material aplicado com maior freqüência na fabricação de casas de interesse social na região de Criciúma.
4.4 Estimativa da Demanda Mensal de Água Não Potável
Para determinar o consumo de água para fins não potáveis, foi necessário fazer o levantamento dos pontos que o sistema atenderia. Para o estudo em questão, os pontos atendidos pela água aproveitada da chuva são: vaso sanitário, rega de jardim e lavação de carro. Pontos como lavação de roupa e chuveiro não serão atendidos pelo sistema, pois necessitariam de um tratamento a fim de melhorar sua qualidade para que pudesse ser utilizada para estes fins.
Para realizar a estimativa do consumo de água para fins não potáveis da edificação, foi necessário um levantamento dos aparelhos consumidores desta água, assim como características tais como: freqüência e tempo com que os mesmo são utilizados.
Estes dados são de fundamental importância para o estudo para que seja possível a estimativa do consumo médio de água para cada ponto, e desta forma verificar a demanda de água em usos com fins não potáveis, podendo então, mensurar a economia que pode ser conseguida através do sistema de captação e aproveitamento de águas pluviais.
Na Tabela 9 são mostrados os pontos de consumo para fins não potáveis, bem como a freqüência e tempo com que as mesmas acontecem.
Tabela 9 – Demanda residencial não potável
Demanda Interna Quantidade Unidade
Vaso Sanitário – Volume 6 – 15 L/descarga
Vaso Sanitário – Freqüência 4 - 6 Descarga/hab/dia
Demanda Externa Quantidade Unidade
Rega de Jardim – Volume 2 L/m²/dia
Rega de Jardim – Freqüência 8 – 12 Lavagem/mês Lavagem de Carro – Volume 80 – 150 L/lavagem/carro Lavagem de Carro – Freqüência 1 - 4 Lavagem/mês Fonte: Tomaz (2000 adaptado apud PROSAB, 2006)
Para se tornar possível a determinação da população que será atendida foi necessárias informações da edificação como: o número de dormitórios, para determinação da quantidade de pessoas por unidade, e o número de banheiros, para determinar a quantidade de vaso sanitário a ser atendido.
A edificação apresenta 2 (dois) dormitórios e 1 (um) banheiro, logo:
Número de habitantes = 4 pessoas (2 pessoas por dormitório) Número de vaso sanitário = 1 vaso sanitário
Para a construção desta edificação, foi considerado um terreno padrão de medidas 15,00 x 25,00m, totalizando uma área de 375,00m². Para determinar a quantidade de área destinada à rega de jardim e horta, foi estimado um valor médio que corresponde a uma área de A = 50,00 m², Possibilitando desta forma que o restante da área do terreno pudesse ser utilizado para calçadas e acesso de garagem, assim como garagem – no caso da construção de uma garagem, teríamos uma maior eficiência do sistema, pois estaríamos aumentando a nossa área de captação proporcionalmente a área de garagem).
Área de infiltração = 50,00 m²
Com estas considerações, os valores de consumo de água para fins não potáveis para uma casa de interesse social de A = 43,67m², em um terreno de A = 375m², ficaram conforme apontados na Tabela 10 a seguir:
Tabela 10 – Consumo de água não potável
Demanda Interna Unidade Consumo (m³)
Vaso Sanitário L/descarga 2,88
Demanda Externa Unidade Unidade
Rega de Jardim Lavagem/mês 0,80
Lavagem de Carro Lavagem/mês 0,08
Fonte: Arquivo do autor
4.5 Determinação do Volume de Produção Mensal de Águas Pluviais
Para determinar o volume de produção mensal de águas pluviais, foi utilizada a Equação 13 abaixo, ao qual relaciona o coeficiente de escoamento, área de coleta e a precipitação média.
C A P
V = . .
Equação 13 – Cálculo do volume de produção mensal de águas pluviais Fonte: NBR 10844/1989
Onde:
P = Precipitação média (mm) A = Área de captação (m²) C = Coeficiente de escoamento
Considerando-se a área de coleta A = 43,67m² e o coeficiente de escoamento C = 0,80, tem-se:
Tabela 11 – Volume mensal de produção de água da chuva Mês P (mm) V (m³) Janeiro 156,69 5,47 Fevereiro 149,62 5,23 Março 135,41 4,73 Abril 98,76 3,45 Maio 105,84 3,70 Junho 92,33 3,23 Julho 111,66 3,90 Agosto 107,39 3,75 Setembro 137,18 4,79 Outubro 132,68 4,64 Novembro 133,38 4,66 Dezembro 119,67 4,18
Fonte: Arquivo do autor
4.6 Determinação da Eficiência do Sistema de Aproveitamento
Segundo Pereira (2003), tendo calculado a demanda interna e externa de água não potável, utiliza-se da Equação 14 para obtenção da área mínima de coleta para análise de eficiência do sistema:
C A P.0,70. =
Equação 14 - Cálculo da área mínima de contribuição Fonte: Brito, 2006
Aplicando os dados na equação, chegou-se ao seguinte resultado:
P = 1480,65 mm/ano
C = 3,76 m³/mês = 45,12 m³/ano
A = 22,97 m²
Esta seria a área de captação necessária se fosse consumida toda a água produzida pela chuva. Para isso, dever-se-ia utilizar uma cisterna com capacidade muito superior a 3.000l, o que garantiria o armazenamento total da água da chuva.
Porém, o custo do sistema aumentaria consideravelmente, inviabilizando economicamente o mesmo.
Portanto, com o resultado alcançado pode-se concluir que o com as condições de precipitação impostas, uma residência de interesse social com A = 40,50m² construída na cidade de Criciúma, com um sistema de captação de água da chuva para fins não potáveis, a fim de atender a demanda do vaso sanitário, rega de jardim e lavação de carro, atende a demanda em 338 dias, ou seja, apresenta uma eficiência de 97,4%.
Para uma melhor análise, é apresentada na Tabela 12 a eficiência mensal devido à variação de precipitação durante o ano.
Tabela 12 – Dados da eficiência mensal do sistema
Mês P (mm) A (m²) C (m³/mês) Dias Atendidos Janeiro 156,69 43,67 4,79 30 Fevereiro 149,62 43,67 4,57 30 Março 135,41 43,67 4,14 30 Abril 98,76 43,67 3,02 24 Maio 105,84 43,67 3,24 27 Junho 92,33 43,67 2,82 23 Julho 111,66 43,67 3,41 28 Agosto 107,39 43,67 3,28 27 Setembro 137,18 43,67 4,19 30 Outubro 132,68 43,67 4,06 30 Novembro 133,38 43,67 4,08 30 Dezembro 119,67 43,67 3,66 30
Fonte: Arquivo do autor
Segundo PROSAB (2006), a eficiência do sistema de aproveitamento pode ser calculada pela Equação 15:
100 . % NP AC Q Q E =
Equação 15 - Cálculo da eficiência do sistema de aproveitamento Fonte: PROSAB, 2006.
QAC = Estimativa de produção de água da chuva (l/d)
QNP = Somatório das demandas não potáveis (l/d)
Tabela 13 – Eficiência do sistema de aproveitamento de águas pluviais
Mês P (mm) A (m²) QNP (m³/mês) QAC (m³/mês) Eficiência (%) Janeiro 156,69 43,67 3,76 5,47 100,0 Fevereiro 149,62 43,67 3,76 5,23 100,0 Março 135,41 43,67 3,76 4,73 100,0 Abril 98,76 43,67 3,76 3,45 91,8 Maio 105,84 43,67 3,76 3,70 98,3 Junho 92,33 43,67 3,76 3,23 85,8 Julho 111,66 43,67 3,76 3,90 100,0 Agosto 107,39 43,67 3,76 3,75 99,8 Setembro 137,18 43,67 3,76 4,79 100,0 Outubro 132,68 43,67 3,76 4,64 100,0 Novembro 133,38 43,67 3,76 4,66 100,0 Dezembro 119,67 43,67 3,76 4,18 100,0
Fonte: Arquivo do autor
4.7 Dimensionamento das Calhas
Calhas são dispositivos com finalidade de receber a água dos telhados e direcioná-las, através de condutores verticais e horizontais, ou para a rede pública, quando não se tem um sistema de aproveitamento de águas pluviais, ou direcionar para um reservatório, podendo este ser elevado ou enterrado.
No caso do estudo em questão, as calhas direcionam as águas pluviais até reservatórios enterrados, também conhecidos no Brasil como cisterna.
Para a obtenção das dimensões da calha (Figura 13), foi inicialmente estimada uma calha com seção de 10x10 cm, tendo em vista de se tratar de uma edificação com uma área de telhado de A = 43,67m². Além da inclinação de 0,5%, exigida pela Norma Brasileira NBR 10844/89.
Figura 13 – Desenho esquemático das dimensões da calha Fonte: NBR 10844 (1989 apud Brito, 2006)
4.7.1 Determinação do raio hidráulico
O raio hidráulico (RH) é a relação entre a área molhada e o perímetro molhado
da calha, e é uma medida necessária para poder medir a capacidade de vazão das calhas. + = b a b a RH 2 .
Equação 16 – Cálculo do Raio Hidráulico Fonte: Brito, 2006
Onde as dimensões “a” e “b” são conforme indicadas na Figura 13.
a = 10,00 cm b = 10,00 cm
RH = 0,033 m
4.7.2 Determinação da área da seção molhada da calha
Para determinar a capacidade de vazão das calhas através da Equação 2 de Manning-Strickler, a seção molhada também é determinante para o cálculo.
b a
S = .
Equação 17 – Cálculo da Seção Molhada Fonte: Brito, 2006
a = 10,00 cm b = 10,00 cm
S= 0,01 m²
4.7.3 Determinação da vazão das calhas
Para determinar a vazão das calhas, utiliza-se da equação de Manning-Strickler, onde além das informações do raio hidráulico e área molhada, é preciso a determinação de alguns parâmetros:
• Coeficiente de rugosidade; • Declividade;
• Constante K.
O coeficiente de rugosidade é determinado através do tipo de material constituinte da calha. Para o estudo em questão foi determinado a utilização de calhas de aço, e de acordo com a Tabela 6 o valor do coeficiente vale n = 0,011.
A declividade é determinada pela norma NBR 10844/89 e vale i = 0,5%. A constante K é determinada pela norma NBR 10844/89 e vale K = 60000.
Logo, para a calha com dimensões de 10x10cm, tem-se:
RH = 0,033 m S= 0,01 m² n = 0,011 i = 0,5 % K = 60000 Q = 399,48 l/min
Para a edificação em questão, podem-se utilizar seguramente calhas com dimensões de 10x10cm que não haverá problemas com transbordamentos, pois a calha apresenta uma capacidade de vazão 4,6 vezes maior que a vazão de projeto.
