CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
EDUARDO LUIZ DE CASTILHO GUSTAVO DOS SANTOS CHAVES
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DA
IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2016
EDUARDO LUIZ DE CASTILHO GUSTAVO DOS SANTOS CHAVES
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DA
IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA
Trabalho de Conclusão de Graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Civil, do Departamento Acadêmico de Construção Civil – DACOC, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Ivan Azevedo Cardoso
CURITIBA 2016
Ministério da Educação
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Campus Curitiba – Sede Ecoville
Departamento Acadêmico de Construção Civil Curso de Engenharia Civil
FOLHA DE APROVAÇÃO
ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DA
IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA
Por
EDUARDO LUIZ DE CASTILHO
GUSTAVO DOS SANTOS CHAVES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, defendido e aprovado em 05 de dezembro de 2016, pela seguinte banca de avaliação:
________________________________________________ Prof. Orientador – Ivan Azevedo Cardoso, Dr.
UTFPR
________________________________________________ Profa. Clarice Farian de Lemos, Dra.
UTFPR
________________________________________________ Prof. Arthur Medeiros, Dr.
UTFPR
UTFPR - Deputado Heitor de Alencar Furtado, 4900 - Curitiba - PR Brasil www.utfpr.edu.br dacoc-ct@utfpr.edu.br telefone DACOC: (041) 3279-4500
À memória de Paulo José Machado, um irmão que, independente de onde estiver, tenho certeza que estará olhando por mim, como sempre fez.
Aos nossos pais, Airton Claro Chaves Junior, Rosângela dos Santos Chaves e Nancy de Fátima Berlez que iniciaram nosso processo de aprendizado e continuam nos orientando com enorme sabedoria e experiência.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao nosso orientador, o Professor Dr. Ivan Azevedo Cardoso, pelos ótimos conselhos tanto em sala de aula quanto na nossa jornada e pela disposição e atenção que dedicou para contribuir com o nosso aprendizado e com o nosso trabalho.
Agradecemos aos professores do curso de Engenharia Civil, Carlos Alberto da Costa, Massayuki Mário Hara e Roberto Levi Sprenger pelos questionamentos levantados, pelo interesse no presente trabalho, pelos conselhos valiosos e pelo apoio.
Agradecemos as nossas namoradas, Ana Caroline Stella e Fernanda Anschau Domingues Cabral pela paciência, pelo carinho que tiveram conosco durante esse período turbulento e pelo tempo que dedicaram para colaborar com a elaboração do presente trabalho.
Agradecemos aos nossos amigos, que caminharam conosco lado a lado sempre prontos para nos fornecer suporte nas horas difíceis e nos obstáculos que tivemos juntos pelo caminho.
Agradecemos aos amigos da Festa do Sagu, pelas atitudes de irmandade e companheirismo que sempre tiveram ao longo do curso e pela confiança depositada a nós.
Agradecemos ao engenheiro Rodrigo Rieping da A. Rieping Bombas, Motores e Serviços pela disposição e pela credibilidade no nosso esforço e no nosso trabalho.
Agradecemos ao engenheiro Edson Luiz Oleniki da Padrão Solar pela disposição e pela credibilidade no nosso esforço e no nosso trabalho.
Agradecemos ao engenheiro Osmar Böhler Filho da Acquamec Sistemas de Aquecimento pela disposição e pela credibilidade no nosso esforço e no nosso trabalho.
RESUMO
CASTILHO, Eduardo Luiz; CHAVES, Gustavo dos Santos. Estudo de Viabilidade
Técnico-econômica da Implantação de um Sistema de Energia Solar Térmica.
2016. 81 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação: Bacharelado em Engenharia Civil) – Departamento Acadêmico de Construção Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.
Este trabalho de conclusão de curso apresenta uma alternativa de aproveitamento de energia solar térmica para o uso em um empreendimento residencial, composto por 14 (quatorze) pavimentos, com 2 (dois) apartamentos por andar, totalizando 28 (vinte e oito) apartamentos de 02 (dois) quartos cada, localizado na Rua Francisco Torres, nº 631, Curitiba – Paraná - Brasil. A energia solar é uma forma de aproveitamento de energia renovável, limpa e alternativa, dessa forma é uma ótima candidata a ter um futuro de investimentos e pesquisas. Alguns exemplos de onde são aplicados, hoje, os meios de aproveitamento da energia solar são: aquecimento da água de piscinas, aquecimento da água para banho doméstico e aquecimento da água para limpeza doméstica. Em 2014, o setor residencial brasileiro foi responsável por 24,9% do consumo total de energia gerada no país. Dessa parcela, que representa aproximadamente um quarto do total de energia gerada no país, 24% foram utilizados para aquecimento de água (35,29TWh). Os cálculos realizados neste trabalho demonstram a viabilidade técnica e econômica com passos bem definidos e de forma bem didática, para caso seja preciso dimensionar um sistema diferente deste. A instalação do sistema de aquecimento solar térmico, neste projeto, mostrou-se técnica e economicamente viável para a situação em que vive-se hoje.
Palavras-chave: Energia Solar Térmica. Sistemas de aquecimento de água.
ABSTRACT
CASTILHO, Eduardo Luiz; CHAVES, Gustavo dos Santos. Feasibility Study
Technical-economic Implementation of a Solar Thermal System. 2016. 81 f.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação: Bacharelado em Engenharia Civil) – Departamento Acadêmico de Construção Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2016.
This study demonstrates an alternative of using solar thermal energy in a residential development, consisting of 14 (fourteen) floors, with 2 (two) apartments per floor, totaling 28 (twenty eight) apartments of 02 (two) bedrooms each, located at Rua Francisco Torres, nº 631, Curitiba – Paraná - Brazil. The solar energy is a renewable, clean and alternative energy, so it is a great candidate to have a future of investments and research. Some examples of where are applied, today, the means of harnessing the solar energy are: heating the pool water, heating the water for domestic bath and heating the water for domestic cleaning. In 2014, the Brazilian residential sector accounted for 24.9% of the total energy consumption generated in the country. Of this share, which represents approximately a quarter of the total energy generated in the country, 24% were used for water heating (35.29TWh). The calculations carried out in this work demonstrate the technical and economic viability with well defined steps in a didactic way, in case it is necessary to design a different system from this. The installation of the solar thermal heating system, in this project, proved to be technically and economically feasible for our situation today.
Keywords: Solar Thermal Energy. Boilling water systems. Sustainability in building
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Variação da radiação solar no Brasil Fonte: ANEEL, (2008), adaptado. ... 12
Figura 2 - Inclinação do equador terrestre em relação ao plano do equador do Sol . 13 Figura 3 - Variação da declinação solar (δ) e estações do ano fixando a Terra como centro ... 13
Figura 4 - Ilustrações dos ângulos representando a posição do Sol em relação ao plano horizontal e da orientação de uma superfície inclinada em relação ao mesmo. ... 14
Figura 5 - Representação das componentes direta, difusa e refletida (albedo) da radiação solar ... 16
Figura 6 - Relação entre AM e o ângulo incidente do Sol ... 17
Figura 7 - Método Equidistante ... 19
Figura 8 - Método Ortográfico ... 20
Figura 9 - Método Estereográfico ... 20
Figura 10 - Carta Solar de Curitiba extraída do software Analysis SOL-AR ... 21
Figura 11 - Traçado do ângulo alfa no transferidor de ângulos ... 22
Figura 12 - Traçado do ângulo beta no transferidor de ângulos ... 22
Figura 13 - Traçado do ângulo gama no transferidor de ângulos ... 23
Figura 14 - Coletores solares fechados planos ... 24
Figura 15 - Coletor solar aberto plano ... 24
Figura 16 - Coletor solar tubos de vácuo... 25
Figura 17 - Coletores solares agrupados em paralelo ... 25
Figura 18 - Coletores solares agrupados em série ... 26
Figura 19 - Componentes de um coletor solar fechado plano ... 26
Figura 20 - Reservatório térmico plástico ... 27
Figura 21 - Reservatório térmico metálico ... 27
Figura 22 - Componentes de um reservatório térmico ... 28
Figura 23 - Componentes de um sistema com circulação natural ... 29
Figura 24 - Componentes de um sistema com circulação forçada ... 30
Figura 25 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão da empresa KSB ... 39
Figura 26 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão de uma bomba ... 40
Figura 27 - Gráfico Net Positive Suction Head requerido pela bomba (NPSHr) x vazão de uma bomba ... 40
Figura 28 - Gráfico potência necessária x vazão de uma bomba ... 41
Figura 29 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão ... 51
Figura 30 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão ... 54
LISTA DE SÍMBOLOS
δ
Ângulo de declinação θ Ângulo de incidênciaγ` Ângulo azimutal da superfície γ`s Ângulo azimutal do Sol
α` Altura solar
β` Inclinação da superfície de captação β’recomendado Inclinação ótima da superfície de captação θz Ângulo zenital
α Ângulo formado entre o plano horizontal e o raio de incidência do Sol
β Azimute da aresta a ser considerada
γ Ângulo formado entre o plano horizontal e o raio de incidência do Sol, rotacionado 90º
Vcons Volume total de água quente consumido diariamente Varmaz Volume do sistema de armazenamento
Qpu Vazão da peça de utilização
tu Tempo médio de uso diário da peça de utilização u Número total de utilizações da peça por dia Tcons Temperatura de consumo de utilização Tarmaz Temperatura de armazenamento da água
Tamb Temperatura ambiente média anual do local de instalação Eútil Energia útil
Eperdas Somatório das perdas térmicas ρ Massa específica da água Cp Calor específico da água Acoletora Área coletora
IG Valor da irradiação global média anual para o local de instalação
PMDEE Produção média diária de energia específica do coletor solar Frτα Coeficiente de ganho do coletor solar
FrUL Coeficiente de perdas do coletor solar
FCinstal Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar v Velocidade da água na tubulação
Q Vazão de água
A Área interna da tubulação J Perda de carga unitária
d Diâmetro interno da tubulação
ΔC Diferença de cotas de entrada e de saída P Pressão disponível na saída
PR Pressão residual na entrada γa Peso específico da água g Aceleração da gravidade
Re Número de Reynolds μ Viscosidade da água
e Rugosidade
f Coeficiente de atrito
L Comprimento da tubulação Hp Perda de carga no sistema Hb Altura manométrica da bomba z1 Cota do ponto 1 p1 Pressão no ponto 1 v1 Velocidade no ponto 1 z2 Cota do ponto 2 p2 Pressão no ponto 2 v2 Velocidade no ponto 2
Hsist Altura manométrica da bomba do sistema
Δz Diferença de altura entre o início e o final do sistema a Coeficiente da Equação do Sistema
NPSHa Net Positive Suction Head de projeto
NPSHr Net Positive Suction Head requerido pela bomba Css Custo total do sistema de energia solar térmica
G Valor gasto mensalmente de energia elétrica com os chuveiros elétricos do edifício
tm Tempo de banho no edifício por mês
Qe Quantidade de energia gasta pelos chuveiros de todos os apartamentos ao decorrer de um mês
Pot Potência média do chuveiro Cee Custo da energia elétrica
N Tempo que o sistema leva para economizar o mesmo montante financeiro que foi utilizado para sua instalação
LISTA DE SIGLAS E ACRÔNIMOS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRAVA Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento
ABRINSTAL Associação Brasileira pela Conformidade e Eficiência de Instalações
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito DASOL Departamento Nacional de Energia Solar Térmica
EPE Empresa de Pesquisa Energética
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia IRENA International Renewable Energy Agency
LABEEE Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da Universidade Federal de Santa Catarina
NBR Norma Brasileira
ONU Organização das Nações Unidas SAS Sistema de Aquecimento Solar
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 8 1.1 OBJETIVOS 9 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9 1.3 JUSTIFICATIVA 9 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 11
2.1 MERCADO DE ENERGIA SOLAR 11
2.2 INSOLAÇÃO 12
2.3 CARTAS SOLARES 18
2.4 SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR (SAS) 23
3 MATERIAIS E MÉTODOS 31
3.1 VIABILIDADE TÉCNICA 31
3.1.1 Cálculo da área de coletores 31 3.1.2 Elaboração do projeto do sistema de energia solar térmica 33 3.1.3 Dimensionamento das tubulações 33 3.1.4 Dimensionamento das bombas 35
3.2 VIABILIDADE ECONÔMICA 41
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 44
4.1 VIABILIDADE TÉCNICA 44
4.1.1 Cálculo da área de coletores 44 4.1.2 Elaboração do projeto do sistema de energia solar térmica 47 4.1.3 Dimensionamento da tubulação 48 4.1.4 Dimensionamento das bombas 48
4.2 VIABILIDADE ECONÔMICA 57
5 CONCLUSÃO 60
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 61
APÊNDICE A – Planilha de dimensionamento da tubulação 65 APÊNDICE B – Orçamento da implantação do sistema de energia solar térmica
70
APÊNDICE C – Projeto de implantação de sistema de energia solar térmica
1 INTRODUÇÃO
Com a crise do petróleo e o aumento da população nos centros urbanos, na década de 1980, surgiu a necessidade de aumentar a produção de eletricidade. Porém, a construção de novas usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares causam impactos ambientais, poluição e riscos de segurança pública, além de necessitar de grande investimento. Neste contexto, é mais barato economizar energia do que fornecê-la, ou seja, ao invés de construir mais e mais usinas para suprir a necessidade energética, a alternativa foi aumentar a eficiência no uso de energia, de acordo com Geller (1994 apud LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
Em 1992, a Organização das Nações Unidas (ONU) organizou uma conferência na qual o tema foi o desenvolvimento sustentável. A principal discussão foi se a humanidade é capaz de se desenvolver de forma sustentável, ou seja, de garantir que seu desenvolvimento atenda às necessidades do presente e das gerações futuras (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
Com o passar dos tempos, foram surgindo conceitos a respeito de geração de energia. Energia renovável é originária de fontes que se regeneram e virtualmente nunca se esgotam, como a solar, a hidráulica e a eólica. Energia não renovável é originária de fontes que vão se esgotar, por exemplo: carvão, petróleo, gás e urânio. Energia limpa não causa grandes danos ambientais durante sua obtenção e utilização como: hidráulica, solar, eólica, geotérmica, oceânica e nuclear. Energia alternativa é originária de alguma fonte pouco convencional, por exemplo, a solar, a eólica, a geotérmica e a oceânica (ANEEL, 2008).
Observa-se que a energia solar é uma forma de energia renovável, limpa e alternativa. Por esse motivo, hoje em dia existem estudos em torno dessa fonte de energia como substituição da energia elétrica convencional no aquecimento de água. Alguns exemplos de onde são aplicadas essas substituições são: aquecimento da água de piscinas, aquecimento da água para banho doméstico e aquecimento da água para limpeza doméstica.
Este trabalho de conclusão de curso pretende estudar a viabilidade técnico-econômica dessa alternativa de aproveitamento de energia solar térmica para o uso em um empreendimento residencial, composto por 14 (quatorze) pavimentos, com 2 (dois) apartamentos por andar, totalizando 28 (vinte e oito) apartamentos de 02
(dois) quartos, localizado na Rua Francisco Torres, nº 631, Curitiba – Paraná – Brasil.
1.1 OBJETIVOS
Verificar a viabilidade técnica e econômica da implantação e utilização de um sistema de energia solar térmica para diminuir o consumo de energia elétrica de um edifício residencial.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos são:
Elaborar um projeto de energia solar térmica para o empreendimento em questão;
Detalhar todo o projeto de captação de energia solar térmica, desde o coletor solar, o reservatório térmico, o sistema hidráulico completo e a distribuição de água aos apartamentos;
Estimar o custo de implantação do sistema, como um todo, no empreendimento;
Verificar a existência ou não da vantagem econômica da implantação do sistema no empreendimento.
1.3 JUSTIFICATIVA
Em 2014, a matriz energética brasileira gerou 590,479TWh, sendo 373,439TWh (63,24%) em usinas hidrelétricas. O consumo de toda essa energia (590,479TWh) se deu da seguinte maneira: 5,9% no setor energético, 24,9% no
setor residencial, 17,1% no setor comercial, 8,0% no setor público, 5,0% no setor agropecuário, 0,4% no setor de transportes e 38,8% no setor industrial (EPE, 2015).
Estima-se que a demanda de energia elétrica nacional anual passará para 1.604,867TWh, em 2050. (EPE, 2016).
Pode-se analisar que o setor residencial é responsável por 147,029TWh de consumo energético e que custará muito caro, caso não exista inovação no jeito de produzir/consumir energia elétrica.
Segundo Lamberts, Dutra e Pereira (2014), o consumo de energia elétrica no setor residencial brasileiro se dá da seguinte maneira: 27% em refrigeração, 24% em aquecimento de água, 20% em ar condicionado, 14% em iluminação e os outros 15% em limpeza de roupas, micro ondas, som, TV e ferro de passar roupas.
Em 2014, o setor residencial brasileiro consumiu aproximadamente 35,29TWh para aquecimento de água, (EPE, 2015). Essa parcela pode ser reduzida com meios alternativos para o aquecimento de água residencial.
Portanto, com este trabalho pretende-se estudar a substituição dos chuveiros elétricos de um empreendimento por um sistema de aquecimento com energia solar térmica. Dessa maneira, o presente trabalho irá constatar os impactos desta substituição.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 MERCADO DE ENERGIA SOLAR
O Brasil alcançou a terceira posição no ranking internacional de 2015 de aquecimento solar. Entre os 18 países analisados pela agência alemã Sol Rico, o Brasil ficou atrás apenas da China e Turquia. No ano, o país produziu 7.968 GWh, com 12,4 milhões de m² acumulados de área instalada (COELHO, 2016a).
Um estudo feito pelo Departamento Nacional de Energia Solar Térmica (DASOL), da Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento (ABRAVA), comparando a quantidade de coletores solares vendidos em 2014 e em 2015, levantou que os coletores abertos, normalmente utilizados para piscina, representam hoje 43,5% dos coletores instalados, decréscimo de 5,3% na base anual. Os fechados representam 54,7%, queda de 1,8%, enquanto os coletores de tubo a vácuo cresceram 57,9%, para uma participação de 1,8% (COELHO, 2016b).
O DASOL também informou que houve uma redução de 2,7% na produção de coletores solares de 2014 para 2015 e que essa retração é atribuída, em grande parte, à descontinuidade do programa federal Minha Casa Minha Vida e ao cenário econômico desfavorecido (COELHO, 2016b).
Isso porque os programas habitacionais representaram 20% das vendas no mercado de aquecedores, igual ao setor comercial. O mais atendido ainda foi o residencial, com 54% das vendas no mercado e a indústria ficou com apenas 6% de participação nas vendas do ano (COELHO, 2016b).
Apesar da pequena queda na venda dos coletores solares, a capacidade de aproveitamento da energia solar aumentou 37% ou 47 GW, especialmente devido à queda de até 80% dos preços dos módulos solares ao longo dos últimos cinco anos (IRENA, 2016).
Segundo o diretor-geral da International Renewable Energy Agency (IRENA), Adnan Amin, 2016,
“Os custos decrescentes das tecnologias e uma série de fatores econômicos, sociais e ambientais estão favorecendo as energias renováveis em relação às fontes convencionais".
2.2 INSOLAÇÃO
O dimensionamento de qualquer sistema de aquecimento solar térmico deve priorizar a máxima conversão da energia solar em energia térmica para aquecimento da água. A produção máxima depende, dentre outros fatores, da disponibilidade da irradiação solar, e da orientação e inclinação dos coletores solares. Por esse motivo, é preciso que os coletores solares sejam posicionados de forma a receber a maior incidência de raios solares perpendiculares às superfícies dos mesmos (MESSENGER; VENTRE, 2005).
A variação da radiação solar no Brasil está representada na Figura 1.
Figura 1 - Variação da radiação solar no Brasil Fonte: ANEEL, (2008), adaptado.
O posicionamento ideal do coletor solar deve levar em conta a latitude e longitude do local de instalação do sistema de aquecimento solar, pois essas características permitem determinar a trajetória do Sol pelo céu, os ângulos de incidência do Sol, as superfícies de referência e a quantidade de irradiação diária. (MESSENGER; VENTRE, 2005).
O planeta Terra está inclinado em relação ao plano do Sol em um ângulo de 23,45° a partir da linha do Equador, de acordo com a Figura 2. Essa inclinação é responsável pelas estações do ano (GALVANI, 2016).
Figura 2 - Inclinação do equador terrestre em relação ao plano do equador do Sol Fonte: GALVANI, (2016), adaptado.
A declinação solar varia entre +23,45° (quando o Sol está no hemisfério norte) e -23,45° (quando o Sol está no hemisfério sul), conforme a Figura 3 (GALVANI, 2016).
Figura 3 - Variação da declinação solar (δ) e estações do ano fixando a Terra como centro Fonte: GALVANI, (2016), adaptado.
Usando a convenção de que a declinação solar e a latitude serão positivas ao Norte e negativas ao Sul do Equador, é possível calcular o ângulo de declinação (
δ
) de acordo com a Equação (1) (MESSENGER; VENTRE, 2005):δ
= 23,45° x sin [ 360° x (dn−80)/365 ] (1)Onde dn é o número de dias contados a partir do começo do ano até a data de interesse. A soma do ângulo de declinação (
δ
) com a latitude local determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma localidade específica na Terra (MESSENGER; VENTRE, 2005).Sabendo o local em que o sistema de aquecimento de água será instalado, são descritas a seguir as relações geométricas entre os raios solares e a superfície terrestre, considerando que os raios solares variam de acordo com o movimento aparente do Sol (BUENO, 2015).
Na Figura 4, estão apresentados os detalhes para um dia e uma latitude geográfica específica, representando os seguintes parâmetros de acordo com GTES (2014 apud BUENO, 2015):
Figura 4 - Ilustrações dos ângulos representando a posição do Sol em relação ao plano horizontal e da orientação de uma superfície inclinada em relação ao mesmo
Ângulo de incidência (θ): ângulo formado entre os raios do Sol e a normal à superfície de captação;
Ângulo Azimutal da Superfície (γ`): ângulo entre a projeção da normal à superfície no plano horizontal e a direção Norte-Sul. O deslocamento angular é tomado a partir do Norte. Sendo positivo quando se encontra a esquerda do Norte e negativo quando se encontra a direita;
Ângulo Azimutal do Sol (γ`s): ângulo entre a projeção dos raios solares no plano horizontal e a direção Norte-Sul. Obedece às mesmas condições do ângulo azimutal da superfície;
Altura Solar (α`): ângulo compreendido entre os raios do Sol e a projeção dos mesmos sobre o plano horizontal;
Inclinação da Superfície de Captação (β`): ângulo entre o plano da superfície em questão e o plano horizontal. Varia entre 0° a 90°, a NBR 15.569:2008 recomenda que o valor do ângulo seja correspondente ao valor da latitude em módulo acrescido de 10º - β’recomendado;
Ângulo Zenital (θz): ângulo formado entre os raios do Sol e a vertical local (Zênite).
Quando a radiação solar atinge a atmosfera terrestre, uma parte é absorvida por elementos da própria atmosfera (como vapor d’água, dióxido de carbono e ozônio), outra é refletida de modo difuso e outra alcança diretamente as superfícies no solo. Apenas uma parcela da radiação solar incide sobre o coletor solar, parcela esta composta por uma componente direta e uma difusa. Sendo assim, a radiação direta provém diretamente do sol e a difusa é proveniente de todas as direções depois de sofrer o espalhamento pela atmosfera terrestre. Estão esquematizados na Figura 5 as componentes da radiação solar (BUENO, 2015).
Figura 5 - Representação das componentes direta, difusa e refletida (albedo) da radiação solar Fonte: Bueno, (2015).
Uma terceira componente aparecerá se a superfície do coletor estiver inclinada em relação ao solo, a componente refletida pelo ambiente ao redor. O coeficiente de reflexão dessas superfícies é conhecido como albedo (BUENO, 2015). A quantidade de radiação solar que é absorvida ou refletida depende da espessura da camada atmosférica (padronizada por um coeficiente denominado Massa de Ar (AM – Air Mass), do ângulo zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas (BUENO, 2015). O coeficiente AM é normalmente comparado com a espessura vertical da camada atmosférica ao nível do mar, que é referido como AM1. Assim, os valores de AM para altitudes maiores serão menores que uma unidade quando os raios do Sol formam um ângulo vertical com a superfície e maior que uma unidade caso contrário. Também existe a definição de AM0, que indica as condições de radiação logo acima da camada atmosférica. O valor de radiação para AM1 é 1.000 W/m², enquanto que para AM0 é 1367 W/m². A relação entre AM e o ângulo de incidência do Sol está apresentada na Figura 6 (BUENO, 2015).
Figura 6 - Relação entre AM e o ângulo incidente do Sol Fonte: CRESESB, (2016).
É importante definir as diferenças entre radiação e irradiância.
A radiação solar é o mecanismo de transferência de calor no qual os corpos envolvidos encontram-se distantes entre si, através da capacidade de cada um deles de emitir e absorver energia térmica. A troca térmica por radiação depende da emissividade da camada superficial do material emissor (MARCA; MILDEMBERG; BINATI; 2010).
A irradiância é a densidade de potência da luz do Sol (o fluxo instantâneo de potência), sendo sua unidade W/m². É uma característica elétrica considerada na especificação dos painéis solares. Seu comportamento pode sofrer grandes variações em curtos intervalos de tempo, principalmente em dias nublados, assim é útil ignorar esses efeitos de variações da irradiância a cada instante (BUENO, 2015).
Referente a trajetória do Sol no céu, durante o decorrer do ano, a mesma pode ser definida pelos ângulos anteriormente especificados na Figura 4, que auxiliam na identificação de insolação, sombreamentos e na análise e projeto de proteções solares, sendo certo que tais ângulos variam conforme a latitude do local (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
Na geometria solar deve-se utilizar o Norte Geográfico, portanto quando utiliza-se uma bússola, a mesma lê o Norte Magnético, que possui uma defasagem angular com relação ao Norte Geográfico, sendo essa defasagem indicada pelo valor da declinação magnética para o local e data desejados. Essa declinação não é constante e deve ser corrigida anualmente através da leitura das cartas isogônicas para o local sob análise (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
O horário utilizado na carta solar é o horário solar, que é diferente do horário do relógio. Para realizar a conversão entre os dois horários utiliza-se a Equação da hora e a diferença entre os meridianos local e padrão, sendo que para tal cálculo pode-se utilizar a Equação (2) Bittencourt (2004 apud LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
HS = HL - EH - λ + n (2)
Na qual HS é o horário solar, HL é o horário local, EH é a Equação da hora (obter valor segundo a data desejada no gráfico), λ é a correção da longitude em relação ao meridiano de Greenwich (considera-se uma defasagem de uma hora para cada 15° de longitude e de quatro minutos para cada grau adicional - o valor deve ser negativo para locais a oeste de Greenwich, ou seja, todo o Brasil), n é a diferença do fuso horário, da cidade em questão, em relação ao de Greenwich (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
2.3 CARTAS SOLARES
Segundo Roberto Lamberts, Luciano Dutra e Fernando Oscar Ruttkay Pereira:
A carta solar pode ser interpretada como a projeção das trajetórias solares ao longo da abóbada celeste durante todo ano. Essa projeção pode ser construída através de diversos métodos. Os métodos mais conhecidos são o equidistante, o ortográfico e o estereográfico, sendo este último o mais utilizado.
O método equidistante, ilustrado na Figura 7, consiste no desenho de círculos concêntricos equidistantes entre si, representando cada um deles as alturas solares correspondentes sobre os quais as trajetórias solares são traçadas.
Figura 7 - Método Equidistante Fonte: PIRES, (2015).
O método ortográfico, representado na Figura 8, mostra como pontos existentes no hemisfério celeste são visualizados no plano horizontal, dando o posicionamento dos círculos de alturas neste mesmo plano. O inconveniente deste diagrama é sua imprecisão em valores de alturas próximos ao horizonte, justamente porque os círculos se concentram mais nesta posição, enquanto são mais espaçados em regiões próximas ao zênite.
Figura 8 - Método Ortográfico Fonte: SOUZA (2003 apud RIBEIRO, 2009).
A projeção estereográfica, apresentada na Figura 9, projeta qualquer ponto da abóbada celeste num ponto teórico chamado nadir. O nadir representa um ponto diametralmente oposto ao zênite celeste. Os círculos de alturas são traçados nas posições onde as projeções ao nadir interceptam o plano horizontal.
Figura 9 - Método Estereográfico Fonte: LUZ, (2015).
Atualmente existe uma série de softwares para facilitar a tarefa do projetista de proteções solares e a análise de sombreamento e acesso solar nas diversas escalas construtivas (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
O software Analysis-SOL-AR (2012) é dividido em dois módulos básicos: um que analisa a carta solar para a região desejada e outro que analisa a rosa dos ventos. O programa marca dados de temperatura do ar diretamente sobre a carta solar para determinar latitude e mostra através de cores diferenciadas como essas temperaturas se distribuem ao longo do ano. Esta ferramenta é bastante útil para a adEquação de proteções solares para qualquer orientação desejada. Um exemplo de uma carta solar gerada no software Analysis-SOL-AR é representado na Figura 10.
Figura 10 - Carta Solar de Curitiba extraída do software Analysis SOL-AR Fonte: LABEEE, (2012).
Existem três ângulos que podem ser analisados através de uma carta solar: Alfa (α), Beta (β) e Gama (γ).
O ângulo α, apresentado na Figura 11, representa um ângulo formado entre o plano horizontal e um plano vertical e pode ter valores entre 0°, quando o plano em questão está na linha do horizonte, e 90°, quando este plano está no zênite. Conforme o plano se inclina a partir do zênite em direção ao horizonte, o ângulo Alfa
diminui seu valor. O ângulo α auxilia no traçado da superfície sobre a carta solar, a partir do traçado de suas arestas horizontais.
Figura 11 - Traçado do ângulo alfa no transferidor de ângulos Fonte: LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; (2014).
O ângulo β, apresentado na Figura 12, representa o azimute da aresta a ser considerada. Seu valor pode variar de 0° a 360°, mas pode também ser considerado variando de 0° a 90° em cada um dos quatro quadrantes da circunferência. O ângulo β auxilia no traçado de arestas verticais sobre a carta solar.
Figura 12 - Traçado do ângulo beta no transferidor de ângulos Fonte: LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; (2014).
O ângulo γ, apresentado na Figura 13, é traçado da mesma forma que o ângulo α, porém rotacionado em 90° em relação a este e pode delimitar os ângulos α e β. Também representa superfícies horizontais, porém auxilia no traçado de bordas ortogonais às que são origem aos ângulos α e β.
Figura 13 - Traçado do ângulo gama no transferidor de ângulos Fonte: LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; (2014).
2.4 SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR (SAS)
De acordo com a NBR 15.569 (ABNT, 2008), Sistema de Aquecimento Solar (SAS) é definido por:
“Sistema composto por coletor(es) solar(es), reservatório(s) térmico(s), aquecimento auxiliar, acessórios e suas interligações hidráulicas, que funciona por circulação natural ou forçada”.
Existem 03 (três) tipos de coletor solar: fechados planos, abertos planos e tubos de vácuo representados nas Figuras 14,15 e 16, respectivamente. A escolha do tipo de coletor solar a ser utilizado está relacionada à temperatura e aplicação do fluído aquecido. Os coletores fechados planos são mais utilizados para fins sanitários, os coletores abertos planos para aquecimento de piscinas, já os coletores de tubos de vácuo são mais utilizados em processos industriais e na geração de calor para refrigeração solar. Os coletores solares podem ser conectados em série, em paralelo ou combinando-se os dois modos (PROCOBRE, 2009).
Figura 14 - Coletores solares fechados planos Fonte: PROCOBRE, (2009).
Figura 15 - Coletor solar aberto plano Fonte: PROCOBRE, (2009).
Figura 16 - Coletor solar tubos de vácuo Fonte: SOLARMOC, (2016).
No agrupamento em paralelo, conforme a Figura 17, a temperatura em todos os coletores é igual independente da quantidade de placas (COMGÁS; ABRINSTAL; 2011).
Figura 17 - Coletores solares agrupados em paralelo Fonte: COMGÁS; ABRINSTAL, (2011).
No agrupamento em série, conforme a Figura 18, a temperatura dos coletores aumenta conforme a quantidade de placas (COMGÁS; ABRINSTAL, 2011).
Figura 18 - Coletores solares agrupados em série Fonte: COMGÁS; ABRINSTAL, (2011).
Os coletores solares mais utilizados são os fechados planos. Esse tipo de coletor consiste em uma caixa externa com isolamento térmico, com serpentinas de cobre por onde a água passa, placa absorvedora normalmente preta, para maximizar a absorção da radiação solar, além de uma cobertura transparente. A cobertura mais utilizada é a de vidro, que tem como funções proteger o sistema das intempéries e bloquear a perda de calor para o ambiente externo, conforme a Figura 19 (PROCOBRE, 2009).
Figura 19 - Componentes de um coletor solar fechado plano Fonte: PROCOBRE, (2009).
O reservatório térmico consiste em um reservatório revestido com material isolante para reduzir a perda de temperatura da água já aquecida para o exterior. Os reservatórios térmicos podem ser classificados quanto ao material de fabricação: plásticos na Figura 20 e metálicos na Figura 21; posicionamento horizontal ou vertical; e pressão suportada, que pode ser baixa ou alta pressão (PROCOBRE, 2009).
Figura 20 - Reservatório térmico plástico Fonte: TELHANORTE, (2016).
Figura 21 - Reservatório térmico metálico Fonte: PROCOBRE, (2009).
Os reservatórios térmicos são compostos por corpo externo, corpo interno, isolamento térmico, tubulações, termostato e resistência elétrica (backup), conforme a Figura 22. É importante ressaltar que a escolha do material do corpo interno está relacionada à qualidade da água disponível na instalação (PROCOBRE, 2009).
Figura 22 - Componentes de um reservatório térmico Fonte: PROCOBRE, (2009).
O aquecimento auxiliar pode ser elétrico ou a gás, sendo acionado somente quando necessário, porém se muito acionado torna o sistema menos eficiente, uma das causas desse acionamento excessivo é quando os equipamentos foram instalados incorretamente, na orientação e/ou inclinação (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA; 2014).
O sistema de circulação da água no sistema pode ser por circulação natural por termossifão ou forçada.
A circulação natural por termossifão, exemplificada na Figura 23, leva em consideração que a densidade da água quente é menor que a densidade da água fria, portanto a mesma tende a subir, sendo necessário que o reservatório térmico esteja em altura inferior à caixa d’água e em altura superior a da instalação dos coletores térmicos (KOMECO, 2016).
Figura 23 - Componentes de um sistema com circulação natural Fonte: PROCOBRE, (2009).
Já a circulação forçada, apresentada na Figura 24, consiste na inclusão de uma bomba hidráulica no sistema para que a água circule. Nesse método não é necessário que o reservatório se localize numa altura superior à dos coletores, porém, torna o sistema menos eficiente por utilizar energia elétrica (KOMECO, 2016).
Figura 24 - Componentes de um sistema com circulação forçada Fonte: PROCOBRE, (2009).
A implantação do sistema de aquecimento solar pode ser realizada de várias maneiras, mesclando-se as seguintes considerações: o sistema pode ter o aquecimento solar individual ou coletivo, o aquecimento auxiliar pode ser centralizado ou descentralizado e a distribuição de calor pode ser direta ou indireta (COMGÁS; ABRINSTAL, 2011).
3 MATERIAIS E MÉTODOS
O empreendimento escolhido para o estudo de viabilidade técnico-econômica da implantação de um sistema de energia solar térmica foi o Edifício Mount Saint Michel, composto por 14 (quatorze) pavimentos, com 2 (dois) apartamentos por andar, totalizando 28 (vinte e oito) apartamentos de 02 (dois) quartos, localizado na Rua Francisco Torres, nº 631, Curitiba – Paraná – Brasil.
3.1 VIABILIDADE TÉCNICA
3.1.1 Cálculo da área de coletores
Para o cálculo da área de coletores necessária para atender a demanda de água quente para os chuveiros do Edifício Mount Saint Michel foi utilizada a NBR 15569 (ABNT, 2008).
Primeiramente calcula-se o volume de consumo (Vcons) através da Equação (3).
Vcons = Σ (Qpu x tu x u) (3)
Na qual Qpu é a vazão da peça de utilização, tu é o tempo médio de uso diário da peça de utilização e u é o número total de utilizações da peça por dia.
Após a obtenção do volume de consumo (Vcons), calcula-se o volume do sistema de armazenamento (Varmaz) através das Equações (4) e (5).
Varmaz = [Vcons x (Tcons – Tamb)] / (Tarmaz – Tamb) (4)
Onde Vcons é o volume de consumo, Tcons é a temperatura de consumo, Tamb é a temperatura ambiente média anual do local de instalação e Tarmaz é a temperatura de armazenamento da água.
Com o volume do sistema de armazenamento (Varmaz), calcula-se a demanda de energia útil (Eútil) em quilo Watts hora por dia através da Equação (6).
Eútil = [Varmaz x ρ x Cp x (Tarmaz – Tamb)] / 3600 (6)
Na qual Varmaz é o volume do sistema de armazenamento, ρ é a massa específica da água, Cp é o calor específico da água, Tarmaz é a temperatura de armazenamento da água e Tamb é a temperatura ambiente média anual do local de instalação.
De acordo com a NBR 15569 (ABNT, 2008), o somatório das perdas térmicas (Eperdas) é equivalente a 15% da energia útil.
Após a obtenção da energia útil (Eútil), calcula-se a produção média diária de energia específica do coletor solar (PMDEE), em quilo Watts hora por metro quadrado através da Equação (7).
PMDEE = 4,901 x (Frτα – 0,0249 x FrUL) (7)
Onde Frτα é o coeficiente de ganho do coletor solar, e FrUL é o coeficiente de perdas do coletor solar.
Sabendo o valor da produção média diária de energia específica do coletor solar (PMDEE), calcula-se o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar a área coletora (FCinstal) através da Equação (8).
FCinstal = 1 / {1 - [1,2 x 10^-4 x (β' - β’recomendado)^2 + 3,5 x 10^-5 x (γ`)^2]} (8)
Na qual β' é a inclinação do coletor em relação ao plano horizontal, β’recomendado é a inclinação ótima do coletor solar para o local de instalação e γ` é o ângulo azimutal da superfície.
Com o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar a área coletora (FCinstal), calcula-se a área coletora (Acoletora) através da Equação (9).
Acoletora = [(Eútil + Eperdas) x FCinstal x 4,901] / (PMDEE x IG) (9)
Onde Eútil é a energia útil, Eperdas é o somatório das perdas térmicas, FCinstal é o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar a área coletora, PMDEE é a produção média diária de energia específica do coletor solar e IG é o valor da irradiação global média anual para o local de instalação.
3.1.2 Elaboração do projeto do sistema de energia solar térmica
Com o cálculo da área de coletores necessária para o Edifício Mount Saint Michel é necessário que seja elaborado o projeto de todo o sistema de energia solar térmica, identificando a localização dos coletores solares, dos reservatórios, das bombas e de toda a tubulação necessária para o funcionamento do sistema. As tubulações devem ser dimensionadas de acordo com as NBR 7198 (ABNT, 1993) e NBR 5626 (ABNT, 1998).
3.1.3 Dimensionamento das tubulações
Para o cálculo das dimensões das tubulações do sistema de energia solar térmica foi utilizado o Anexo A da NBR 5626 (ABNT, 1998).
O método do anexo A da NBR 5626 (ABNT, 1998) é baseado em uma planilha, na qual cria-se uma rotina de cálculos para o dimensionamento da tubulação, conforme descrito abaixo:
- 1ª coluna: identificação do trecho a ser dimensionado;
- 2ª coluna: somatório dos pesos relativos nos pontos de utilização que o trecho de tubulação irá atender, sendo que tais pesos encontram-se na Tabela A.1 da NBR 5626 (ABNT, 1998);
- 3ª coluna: cálculo da vazão estimada (Q) para do trecho, em litros por segundo, através da Equação (10):
Q = 0,3 √(ΣP) (10)
Onde ΣP é o somatório dos pesos relativos nos pontos de utilização (2ª coluna) que o trecho de tubulação irá atender.
- 4ª coluna: diâmetro interno da tubulação do trecho em questão, em milímetros;
- 5ª coluna: velocidade no trecho em questão, em metros por segundo, através da Equação (11):
v = Q / A (11)
Onde Q é a vazão estimada (3ª coluna) em metros cúbicos por segundo, v é a velocidade no trecho em questão, em metros por segundo e A é a área interna da tubulação em metros quadrados.
- 6ª coluna: perda de carga unitária (J), em quilo Pascal por metro, através da Equação (12):
J = 8,69 x 10^6 x Q^1,75 x d^-4,75 (12)
Onde Q é a vazão estimada para o trecho (3ª coluna) em litros por segundo, e d é o diâmetro interno da tubulação do trecho em questão (4ª coluna) em milímetros.
- 7ª coluna: diferença de cotas de entrada e saída de cada trecho (ΔC), em metros;
- 8ª coluna: pressão disponível na saída de cada trecho, através Equação (13):
P = PR + (γa x ΔC) (13)
Onde PR é a pressão residual na entrada do trecho em metros, γa é o peso específico da água em quilo Newton por metro cúbico e ΔC é a diferença de cotas de entrada e saída do trecho (7ª coluna) em metros.
- 10ª coluna: comprimento equivalente da tubulação, em metros, em função da quantidade de conexões e suas características. Os valores para cada conexão podem ser encontrados na Tabela A.3 da NBR 5626 (ABNT, 1998); - 11ª coluna: perda de carga em função da tubulação, em quilo Pascal, calculada multiplicando a perda de carga unitária (6ª coluna) em quilo Pascal por metro, pelo comprimento total da tubulação em metros. O comprimento total é calculado somando o comprimento real (9ª coluna) e o comprimento equivalente (10ª coluna);
- 12ª coluna: perda de carga provocada por registros e outras singularidades, em quilo Pascal;
- 13ª coluna: perda de carga total, em quilo Pascal, obtida somando-se a perda de carga em função da tubulação (11ª coluna) e a perda de carga provocada por registros e outras singularidades (12ª coluna);
- 14ª coluna: pressão disponível residual na saída do trecho, em quilo Pascal. Calcula-se subtraindo a perda de carga total (13ª coluna) da pressão disponível (8ª coluna);
- 15ª coluna: pressão requerida no ponto de utilização, em quilo Pascal.
3.1.4 Dimensionamento das bombas
Após a elaboração do projeto, verificou-se a necessidade da implantação de bombas em dois casos.
No primeiro caso, para auxiliar o sistema de aquecimento solar térmico no trecho do reservatório térmico passando pelos coletores para o mesmo reservatório. Esse trecho funciona por termossifão, porém, a bomba é necessária para garantir a circulação da água porque existem mais de 05 (cinco) coletores solares em série.
No segundo caso, para a circulação da água na prumada evitando a perda de temperatura da água e com isso reduzindo o desperdício de água quando da utilização dos chuveiros.
O dimensionamento das bombas segue os seguintes passos:
- 1º passo: calcula-se a velocidade na tubulação (V) através da Equação (14).
V = √(2 x g x h) (14)
Sendo g a aceleração da gravidade em metros por segundo ao quadrado e h o desnível entre o início e o final do sistema em metros.
- 2º passo: calcula-se o número de Reynolds (Re) pela Equação (15).
Re = (ρ x v x d) / μ (15)
Onde ρ é a massa específica da água, em quilograma por metro cúbico, v é a velocidade na tubulação, em metros por segundo, d é o diâmetro interno da tubulação, em metros e μ é a viscosidade da água, em metros quadrados por segundo.
- 3º passo: calcula-se a relação rugosidade (e) pelo diâmetro interno da tubulação (d);
- 4º passo: com o número de Reynolds (Re) e a relação entre rugosidade e diâmetro interno da tubulação (e/d), utiliza-se o Diagrama de Moody e encontra-se o coeficiente de atrito (f);
- 5º passo: calcula-se a quantidade de tubulações e suas conexões;
- 6º passo: encontram-se os comprimentos equivalentes representativos adimensionados (L/d) para cada uma das conexões com base na tabela 8.4 (FOX; PRITCHARD; MCDONALD; 2010);
- 7º passo: calcula-se a perda de carga no sistema (Hp) em metros em virtude da tubulação através da Equação (16).
Hp = f x (L/d) x [(v^2) / (2 x g)] (16)
Onde f é o coeficiente de atrito, L é o comprimento da tubulação, em metros, d é o diâmetro interno da tubulação, em metros, v é a velocidade no interior da tubulação, em metros por segundo e g é a aceleração da gravidade, em metros por segundo ao quadrado.
- 8º passo: calcula-se a altura manométrica da bomba (Hb) em metros (m) através da Equação (17).
z1 + [p1 / (ρ x g)] + [(v1^2) / (2 x g)] =
= z2 + [p2 / (ρ x g)] + [(v2^2) / (2 x g)] + Hp – Hb (17)
Sendo z1 a cota do ponto 1, em metros (m), p1 a pressão no ponto 1, em Pascal, v1 a velocidade no ponto 1, em metros por segundo, z2 a cota do ponto 2, em metros, p2 a pressão no ponto 2, em Pascal, v2 a velocidade no ponto 2, em metros por segundo, Hp a perda de carga no sistema, em metros e Hb a altura manométrica da bomba.
- 9º passo: calcula-se a vazão na bomba, em Litros por segundo, através da Equação (18).
Q = v x A (18)
Onde Q é a vazão estimada em metros cúbicos por segundo, v é a velocidade, em metros por segundo e A é a área interna da tubulação em metros quadrados.
- 10º passo: com os valores de altura manométrica da bomba (Hb), diferença de altura entre o início e o final do sistema (Δz) e com a vazão (Q), calcula-se o coeficiente A da equação do sistema através da Equação (19).
Hb = Δz + [a x (Q^2)] (19)
- 11º passo: calcula-se a equação do sistema através da Equação (20).
Hsist = Δz + [a x (Q^2)] (20)
Onde Hsist é a altura manométrica da bomba do sistema, Δz é a diferença de altura entre o início e o final do sistema, em metros, a é o coeficiente da equação do sistema, calculado pelo 10º passo, Q é a vazão, em metros cúbicos por hora.
- 12º passo: calcula-se o Net Positive Suction Head de projeto (NPSHa) do sistema, apenas para o trecho de sucção de bombas, quando a bomba não for afogada, através da Equação (21).
NPSHa = [(pe-pv) / (ρ x g)] + [(ve^2) / (2 x g)] (21)
Onde pe é a pressão na entrada da bomba, em Pascal, pv é a pressão de vapor da água, em Pascal, ρ é a massa específica da água, em quilograma por metro cúbico, g é a aceleração da gravidade em metros por segundo ao quadrado e ve é a velocidade na entrada da bomba, em metros por segundo.
Seguindo os passos acima citados, chega-se nas características que a bomba deve possuir para que o sistema funcione.
Após a realização dos cálculos, escolhe-se o fabricante da bomba e encontra-se o gráfico da altura manométrica da bomba (Hb) pela Vazão (Q) com todas as séries de bombas fabricadas pela empresa escolhida, como mostra o exemplo na Figura 25.
Figura 25 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão da empresa KSB Fonte: KSB, (2009).
Com o exemplo do gráfico da Figura 25 encontra-se a bomba mais adequada para o sistema. Com o auxílio dos catálogos da empresa encontra-se os gráfico referentes à bomba escolhida, gráfico da altura manométrica da bomba pela vazão, conforme Figura 26, gráfico do Net Positive Suction Head requerido pela bomba (NPSHr) pela vazão para o trecho de sucção quando a bomba não estiver afogada, de acordo com a Figura 27, e o gráfico potência necessária pela vazão, demonstrado na Figura 28.
Figura 26 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão de uma bomba Fonte: SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA, (2015).
Com a Equação do sistema, obtida através da Equação (20), arbitram-se vazões chegando em suas respectivas alturas manométricas e substitui-se tais valores na Figura 26, fazendo com que num mesmo gráfico tenha-se a curva do sistema e a curva da bomba. O ponto de operação é identificado através da intersecção da curva do sistema com a curva da bomba. Com a identificação do ponto de operação observam-se as curvas de rendimento, e chega-se no rendimento aproximado otimizado da bomba.
Figura 27 - Gráfico Net Positive Suction Head requerido pela bomba (NPSHr) x vazão de uma bomba
Com a obtenção do ponto de operação, substitui-se a vazão de operação na Figura 27 e encontra-se o Net Positive Suction Head requerido pela bomba (NPSHr). Para que não haja cavitação, o NPSHa deve ser maior que o NPSHr. Essa verificação deve ser realizada apenas para os trechos de sucção das bombas não afogadas.
Figura 28 - Gráfico potência necessária x vazão de uma bomba Fonte: KSB, (2009).
Com a obtenção do ponto de operação, substitui-se a vazão de operação na Figura 28 e encontra-se a potência da bomba.
3.2 VIABILIDADE ECONÔMICA
Com toda a viabilidade técnica concluída, realiza-se o levantamento das quantidades de cada material que compõe o sistema de energia solar térmica.
Após o levantamento das quantidades solicita-se aos fornecedores um orçamento desses materiais, realiza-se o levantamento da mão de obra para a
execução de todos os serviços, e estima-se uma verba de manutenção para o sistema, chegando assim no custo total do sistema de energia solar térmica (Css).
Para a viabilidade ser atendida, necessita-se saber o valor que é gasto mensalmente de energia elétrica com os chuveiros elétricos do edifício (G) e que após a implantação do sistema será economizado, ou seja, o valor de energia elétrica que é gasto todo mês com os chuveiros elétricos por todos os apartamentos. Esse valor pode ser obtido através dos seguintes passos:
- 1º passo: cálculo do tempo de banho no edifício por mês (tm), em segundos, através da Equação (22).
tm = tu x u x 30 (22)
Onde tu é o tempo médio de uso diário da peça de utilização, em segundos, u é o número total de utilizações da peça por dia e 30 corresponde aos 30 dias que compõem o mês.
- 2º passo: cálculo da quantidade de energia gasta pelos chuveiros de todos os apartamentos durante um mês (Qe), em Joule, através da Equação (23).
Qe = Pot x tm (23)
Onde Pot é a potência média do chuveiro em Watt, e tm é o tempo de banho no edifício por mês em segundos.
Com a quantidade de energia em Joule, transforma-se a quantidade de energia para quilo Watt hora, através da seguinte relação:
1J = 2,778x10^(-7)kWh
- 3º passo: calcula-se o valor que é gasto mensalmente de energia elétrica com os chuveiros elétricos do edifício (G), em reais, através da Equação (24).
G = Qe x Cee (24)
Na qual Qe é a quantidade de energia gasta pelos chuveiros de todos os apartamentos ao decorrer de um mês em quilo Watt hora e Cee é o custo da energia elétrica, em reais por quilo Watt hora.
Com o custo total do sistema de energia solar térmica (Css) e o valor que é gasto mensalmente de energia elétrica com os chuveiros elétricos do edifício (G), faz-se uma comparação para obter a quantidade de meses necessários para que torne possível pagar o sistema apenas com os valores economizados, ou seja, o tempo que o sistema leva para economizar o mesmo montante financeiro que foi utilizado para sua instalação (N), demonstrado na Equação (25).
N = Css / G (25)
Onde Css é custo total do sistema de energia solar térmica em reais, e G é gasto mensal de energia elétrica com os chuveiros elétricos do edifício em reais.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 VIABILIDADE TÉCNICA
4.1.1 Cálculo da área de coletores
Primeiramente calcula-se o volume de consumo (Vcons) utilizando os seguintes valores:
- De acordo com a Tabela A.1 da NBR 5626 (ABNT, 1998), a vazão de projeto de um chuveiro elétrico é de 6L/min, ou seja, Qpu = 6L/min;
- Conforme a Tabela C.1 do Anexo C da NBR 15569 (ABNT, 2008), o ciclo de um banho dura tu = 10min;
- Realizou-se o levantamento da quantidade média de moradores por apartamento do Edifício Mount Saint Michel e chegou-se a média de 1,6 pessoas por apartamento. Adotou-se 2,0 pessoas por apartamento. Considera-se que cada pessoa toma um banho por dia e que o edifício possui 28 apartamentos, chega-se em u = 56.
Substitui-se, então, os valores acima citados na Equação (3).
Vcons = 6 x 10 x 56 Vcons = 3.360L
Após a obtenção do volume de consumo (Vcons), calcula-se o volume do sistema de armazenamento (Varmaz) com os seguintes valores:
- De acordo com a Tabela C.1, do Anexo C da NBR 15569 (ABNT, 2008), a temperatura de consumo para chuveiro é de 39ºC a 40ºC, sendo que para o cálculo utilizou-se Tcons = 40ºC;
- A temperatura ambiente média anual em Curitiba/PR é de 19,23ºC, sendo o valor de Tamb (SWERA, 2016);
- A NBR 15.569 sugere que Tarmaz ≥ Tcons, portanto considerou-se Tarmaz = 49,60ºC.
Substitui-se, então, os valores anteriores citados na Equação (4).
Varmaz = [3360 x (40 – 19,23)] / (49,60 – 19,23) Varmaz = 2.297,90L
Substitui-se, então, os valores acima citados na Equação (5).
Varmaz ≥ 0,75 x 3360 Varmaz ≥ 2.520L
Em virtude do tamanho comercial dos reservatórios térmicos, adotou-se Varmaz = 3.000L. Portanto, 02 (dois) reservatórios térmicos horizontais de 1.500L de baixa pressão de aço 304, da Marca Maxsun.
Após a obtenção do volume do sistema de armazenamento (Varmaz), calcula-se a demanda de energia útil (Eútil) com os seguintes valores:
- De acordo com a NBR 15569 (ABNT, 2008), a massa específica da água pode ser representada por ρ = 1000kg/m³ e o calor específico da água Cp = 4,18kJ/kg.
Substitui-se, então, os valores na Equação (6).
Eútil = [3000 x 1000 x 4,18 x (49,60 – 19,23)] / 3600 Eútil = 105.788,83Wh/dia = 105,79kWh/dia
De acordo com a NBR 15569 (ABNT, 2008), o somatório das perdas térmicas (Eperdas) é equivalente a 15% da energia útil, portanto para o projeto em questão:
Eperdas = 0,15 x 105,79 Eperdas = 15,87kWh/dia
Após a obtenção da energia útil (Eútil), calcula-se a produção média diária de energia específica do coletor solar (PMDEE) utilizando os seguintes valores:
Nesse projeto utilizou-se o coletor solar modular de baixa pressão de 15 tubos, da marca Maxsun, o qual possui Frτα = 0,749 e FrUL = 2,209 (INMETRO, 2016).
Substitui-se, então, os valores acima citados na Equação (7).
PMDEE = 4,901 x (0,749 – 0,0249 x 2,209) PMDEE = 3,4013kWh/m²
Após a obtenção da produção média diária de energia específica do coletor solar (PMDEE), calcula-se o fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar a área coletora (FCinstal) utilizando os seguintes valores:
- Como explicado no item 2.2, a inclinação ótima do coletor solar para o local de instalação (β’recomendado) é igual ao módulo da latitude do local acrescido de 10º, como o Edifício Mount Saint Michel está localizado na latitude 25º25’59”, o β’recomendado = 35º25’59”, porém para facilitar a instalação considerou-se β' = 35º00’00”.
- De acordo com o demonstrado no item 2.2, o valor do ângulo azimutal da superfície (γ`) para os coletores solares do Edifício Mount Saint Michel é de γ` = 22º21’59”.
Substitui-se, então, os valores anteriores citados na Equação (8).
FCinstal = 1 / {1 - [1,2 x 10^-4 x (35º00’00” - 35º25’59”)^2 + 3,5 x 10^-5 x x (22º21’59”)^2]}
FCinstal = 1,0178
Após a obtenção do fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar a área coletora (FCinstal), calcula a área coletora (Acoletora) com os seguintes valores:
- O valor da irradiação global média anual para o local de instalação (IG) para Curitiba/PR é IG = 3,87kWh/m²/dia (SUN DATA, 2016).
Acoletora = [(105,79 + 15,87) x 1,0178 x 4,901] / (3,4013 x 3,87) Acoletora = 46,11m²
Em virtude do tamanho comercial dos reservatórios térmicos, adotou-se Acoletora = 46,20m². Portanto, 22 (vinte e dois) coletores solares, modulares, de baixa pressão de 15 tubos, da marca Maxsun.
Com os cálculos acima demonstrados chega-se a conclusão de que são necessários 46,20m² de coletor solar para atender a demanda de água quente por dia, para os chuveiros dos 28 (vinte e oito) apartamentos do Edifício Mount Saint Michel.
4.1.2 Elaboração do projeto do sistema de energia solar térmica
Com o cálculo da área de coletores necessária para o Edifício Mount Saint Michel, chegou-se à quantidade de coletores solares e de reservatórios térmicos necessários para o sistema. Definindo-se isso, realiza-se o traçado do projeto, identifica-se a localização de cada coletor, reservatório, bomba e de toda a tubulação necessária para a implantação do sistema de energia solar térmica.
Em virtude da grande quantidade de coletores solares, optou-se por dividi-los em 02 (dois) sistemas de mesma quantidade de coletores e mesmo volume de reservatório para que se atingisse o equilíbrio hidráulico, sendo tais sistemas denominados de sistema 1 e sistema 2. Para interligar os reservatórios térmicos e os coletores solares escolheu-se utilizar tubulação de cobre. A circulação da água dentro dos sistemas 1 e 2 se dará por termossifão, porém para garantir que a água circule evitando assim danos ao sistema, dimensiona-se uma bomba para cada um dos sistemas. Nesse caso dimensiona-se apenas uma bomba para cada sistema, tendo em vista que quando a bomba de um sistema estiver em manutenção, o outro sistema consegue atender os apartamentos.
Para a tubulação entre a caixa d’água do edifício e os reservatórios térmicos adotou-se tubulação de PPR.
Para a tubulação de distribuição de água quente para os apartamentos optou-se por utilizar tubulação de PPR. Em virtude desta tubulação ser muito
extensa, dimensiona-se uma tubulação de retorno e uma bomba para a circulação da água quente, bomba que será acionada pela perda de temperatura da água da tubulação e que permanecerá ligada durante o tempo necessário para a troca de toda a água da tubulação, evitando assim o desperdício de água até que água quente chegue ao ponto de utilização. Nesse caso dimensionam-se duas bombas iguais em paralelo, tendo em vista que quando uma bomba estiver em manutenção a outra bomba realizará a circulação da água.
Realizou-se o traçado do projeto e o mesmo está no apêndice C deste trabalho.
4.1.3 Dimensionamento da tubulação
Para o dimensionamento das tubulações do sistema de energia solar térmica utilizou-se o Anexo A da NBR 5626 (ABNT, 1998).
O método do anexo A da NBR 5626 (ABNT, 1998) é baseado em uma planilha, em que cria-se uma rotina de cálculos para o dimensionamento da tubulação, cuja planilha aplicada ao sistema de energia solar térmica do Edifício Mount Saint Michel está no apêndice A deste trabalho.
4.1.4 Dimensionamento das bombas
4.1.4.1 Dimensionamento da bomba do sistema 1 de coletores
O sistema 1 de coletores é composto por 11 (onze) coletores solar modulares de baixa pressão de 15 tubos, da marca Maxsun, 01 (um) reservatório térmico de 1.500L de baixa pressão de aço 304, da Marca Maxsun e de tubulação de cobre de 22 milímetros.
Calcula-se a velocidade da água na tubulação, porém como tal sistema é baseado nos princípios do termossifão, a bomba é apenas para garantir que a água circule no sistema, para isso adotamos uma velocidade V = 1,00m/s.
Após a determinação da velocidade, calcula-se o número de Reynolds (Re) com os seguintes valores:
- Massa específica da água ρ = 1000kg/m³; - Viscosidade da água μ = 3,62x10^(-7)m²/s; - Diâmetro interno da tubulação d = 20,8mm; Substitui-se, então, os valores na Equação (15).
Re = (1000 x 1 x 0,0208) / 3,62x10^(-7) Re = 5,75x10^7
Depois do cálculo do número de Reynolds (Re), calcula-se a relação rugosidade (e) pelo diâmetro interno da tubulação (d), sendo que a rugosidade do cobre é de 0,0015 milímetros, com isso chega-se em:
e/d = 0,0015 / 20,8 e/d = 7,21x10^(-5)
Com o número de Reynolds (Re) e a relação rugosidade pelo diâmetro interno da tubulação (e/d), utiliza-se o Diagrama de Moody e encontra-se o coeficiente de atrito f = 0,0115.
Com o projeto, calcula-se a quantidade de tubulação e conexões que o sistema 1 possui, que é de 66,06 metros de tubulação e 31 cotovelos 90º.
O comprimento equivalente representativo adimensionado (L/d) dos cotovelos de 90º é igual a 30 (FOX; PRITCHARD; MCDONALD, 2010).
Com as quantidades, calcula-se a perda de carga no sistema (Hp), em virtude da tubulação através da Equação (16).
Hp = 0,0115 x [(31 x 30) + (66,06 / 0,0208)] x [(1^2) / (2 x 9,81)] Hp = 2,41m
Com a Equação de Bernoulli, Equação (17), calcula-se a altura manométrica da bomba (Hb):
Hp = Hb Hb = 2,41m
Após o cálculo da altura manométrica da bomba, calcula-se a vazão na bomba (Q), com os seguintes valores:
- Velocidade na tubulação é v = 1m/s;
- Área interna da tubulação é A = 3,40x10^(-4)m²; Então, com a Equação (18) tem-se:
Q = 1 x 3,40x10^(-4) x 1000 Q = 0,34L/s = 1,22m³/h
Para o cálculo da equação do sistema, utilizam-se os seguintes valores: - Diferença de altura entre o início e o final do sistema Δz = -0,50m; - Altura manométrica da bomba calculada (Hb);
- Vazão calculada (Q), em litros por segundo;
Substitui-se, então, os valores acima citados na Equação (19).
2,41 = -0,5 + [a x (0,34^2)] a = 25,173
Substitui-se, então, os valores já calculados na Equação (20).
Hsist = -0,5 + [25,173 x (Q^2)]
Obs.: para Q em litros por segundo.
Com a altura manométrica da bomba e a vazão calculadas, aplica-se tais valores no dimensionador de bomba disponível no site da empresa Grundfos e chega-se na bomba do sistema 1: bomba Grundfos CRN 3-2 A-CA-G-E-HQQE,
3.418 rotações por minuto, potência de 370W, gráfico de altura manométrica da bomba pela vazão, conforme Figura 29.
Figura 29 - Gráfico altura manométrica da bomba x vazão Fonte: GRUNDFOS, (2016a).
Sendo que na Figura 29 a curva em vermelho representa a curva do sistema 1, a curva em azul representa a curva da bomba escolhida, a curva superior em preto representa o rendimento da bomba escolhida (46,8%) e a curva inferior em preto refere-se ao rendimento do conjunto bomba+motor (23,6%).
4.1.4.2 Dimensionamento da bomba do sistema 2 de coletores
O sistema 2 de coletores também é composto por 11 (onze) coletores solares e 01 (um) reservatório térmico de 1.500L, iguais aos do sistema 1. As tubulações de cobre também terão 22 milímetros, porém terão comprimento diferente.
Adota-se uma velocidade V = 1,00m/s, pelo mesmo motivo do dimensionamento do sistema 1.
