Diogo Rodrigues Schmitt

7/25/2019 Diogo Rodrigues Schmitt

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DIOGO RODRIGUES SCHMITT

ESTUDO DA VIABILIDADE TCNICA E ECONMICA PARAIMPLANTAO DE SISTEMA SOLAR NO PRDIO DA SOCIEDADEPORTO ALEGRENSE DE AUXLIO AOS NECESSITADOS - SPAAN

Monografia apresentada ao Departa-mento de Engenharia Mecnica da Es-cola de Engenharia da UniversidadeFederal do Rio Grande do Sul, como

parte dos requisitos para obteno dodiploma de Engenheiro Mecnico.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Smith Schneider

Porto Alegre2007


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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecnica

ESTUDO DA VIABILIDADE TCNICA E ECONMICA PARA IMPLANTAO DESISTEMA SOLAR NO PRDIO DA SOCIEDADE PORTO ALEGRENSE DE

AUXLIO AOS NECESSITADOS - SPAAN

DIOGO RODRIGUES SCHMITT

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS RE-QUISITOS PARA A OBTENO DO DIPLOMA DE

ENGENHEIRO MECNICOAPROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

Prof. Gilberto Dias da CunhaCoordenadora do Curso de Engenharia Mecnica

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. Arno KrenzingerUFRGS / DEMEC

Prof. Dr. Paulo Otto BeyerUFRGS / DEMEC

Prof. Dr. Horcio A. VielmoUFRGS / DEMEC

Porto Alegre2007


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AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Professor Paulo Schneider pelo incentivo, orientao e ateno dedicados a estetrabalho.

A Professora Ana Luiza pelas aulas de energias alternativas que despertou o interesse pelotema e apoio na realizao do trabalho.

Ao pessoal da Sociedade Porto Alegrense de Auxlio aos Necessitados - SPAAN, Jairton,Rafael e demais colaboradores.

A Adri pela pacincia, incentivo e apoio fundamentais para a concluso do trabalho e princi-palmente do curso.

A todos estes, reforo um agradecimento muito especial, por poder contar com a ajuda devocs este trabalho foi realizado com grande prazer e tamanha motivao.


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Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades:- Sociedade Porto Alegrense de Auxlio aos Necessitados SPAAN

- Heliotec fornecedor de coletores e equipamentos para aquecimento solar.


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Quem pensa pouco, erra muito

Leonardo da Vinci


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SCHMITT, D. R. Estudo da Viabilidade Tcnica e Econmica para Implantao de Sis-tema Solar no Prdio da Sociedade Porto Alegrense de Auxlio aos Necessitados SPA-AN. 2007, Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Depar-tamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre,

2007.

RESUMO

A facilidade no acesso da populao a energia eltrica somada a grandes hidreltricasgerando enormes quantidades de energia fez com que as pessoas se habituassem a no se pre-ocupar em controlar o consumo. Porm com o passar dos anos, com a diminuio das fontesgeradoras e com o grande aumento de equipamentos e consumidores de energia, o pas passa

por um momento delicado, em que a conscientizao a principal forma de mudar esse qua-dro. A sada para esta situao passa pela reeducao dos usurios e por medidas que venhama diminuir o consumo de energia. Uma alternativa que vem ganhando fora o aquecimento

de gua para consumo domstico atravs de sistema solar, que alm de ser ambientalmentecorreto, bem mais barato a mdio prazo se comparado a um sistema convencional com resis-tncia eltrica. O presente trabalho estuda a possibilidade de implantao deste tipo de gera-o de energia em uma instituio com aproximadamente cento e sessenta moradores. Paraisto foram analisadas as contas de gua e de luz, estudados os hbitos de consumo na casa afim de mensurar a carga trmica necessria para a demanda, e com o auxilio do mtodo dacarta fe dos softwares solarcarde trnsysfoi dimensionado e proposto um sistema capaz deatender a casa.

PALAVRAS-CHAVE: Carta F, energia solar trmica, TRNSYS, carga trmica.


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SCHMITT, D. R. Analyses of Economical and Technical Viability for the usage of solarsystem at the facility of the "Sociedade Porto Alegrense de Auxlio aos Necessitados SPAAN.2007, Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto

Alegre, 2007.

ABSTRACT

The high level of accessibility from population to electric power added to the greathydroelectric plants which generate enormous amounts of power made people became usednot to worry about controlling its usage. However, over the years, with the decreasing amountof power generating sources and also the great increase of electrical devices and powerconsumers, our country is undergoing a critical moment, in which the awareness of populationis the main factor to change this picture. The solution to this problem goes from users re-education to measures that enable the reduction of power consumption. An alternative that is

more remarkable presented as a solution is the water heating for domestic consumptionthrough solar system, which not only is environmentally correct, but also much cheaper in thenear future compared with a conventional system with electric resistance. This work paper isabout the possibility of implementing this type power generation in an institution with arounda hundred and sixty inhabitants. To do this, power and water bills were analyzed. Theconsumption habits in the house were studied in order to measure the necessary thermal loadto attend the demand. With the help of the method F-chart and the softwares Solarcard andTrnsys a system capable to attend the house demand was dimensioned and proposed.

KEYWORDS: F-chart, thermal solar power, Trnsys, thermal load.


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SUMRIO

1.INTRODUO.......................................................................................................... 09

2. FUNDAMENTAO TERICA............................................................................. 102.1. SISTEMA SOLAR DE AQUECIMENTO......................................................... 10

2.2. COLETORES SOLARES................................................................................... 10

2.3. RESERVATRIO TRMICO........................................................................... 11

2.4. COEFICIENTE DE PERDAS NO RESERVATRIO...................................... 11

2.5. FONTE AUXILIAR DE ENERGIA................................................................... 12

2.6. TUBULAES ISOLADAS TERMICAMENTE............................................. 12

2.7. CONFIGURAO DOS SISTEMAS DE AQUCIMENTO............................. 12

2.7.1. SISTEMA ATIVO....................................................................................... 12

2.7.2. SISTEMA PASSIVO OU TERMOSSIFO............................................... 13

2.8. CARTA F............................................................................................................ 13

3. APRESENTAO DO PROBLEMA....................................................................... 14

3.1. A SPAAN............................................................................................................ 15

3.2. LEVANTAMENTO DA CARGA TRMICA................................................... 15

4. DIMENSIONAMENTO PELO MTODO DA CARTA F...................................... 17

4.1. RADIAO E FRAO SOLAR.................................................................... 174.2. TRNSYS............................................................................................................. 19

5. PROPOSTA DE SISTEMA....................................................................................... 21

5.1. RESERVATRIO TRMICO........................................................................... 21

5.2. DESENHO DO SISTEMA PROPOSTO............................................................ 21

5.3. ESTUDO DA VIABILIDADE FINANCEIRA.................................................. 22

6. CONCLUSO........................................................................................................... 23

REFERNCIAS............................................................................................................. 24

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA............................................................................... 24

APNDICES.................................................................................................................. 25

ANEXOS....................................................................................................................... 26


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1. INTRODUO

A preocupao com a energia eltrica no Brasil aumenta diretamente com o crescenteconsumo que o pas vem apresentando. A maior parte da energia produzida no Brasil vem das

hidreltricas, porm com a proximidade de mais crises energticas, a diversificao do nossoparque gerador, atravs da construo de termeltricas com gs natural, tambm atravs daentrada em operao de sistemas de co-gerao e atravs da incorporao de energias renov-veis pode ser a soluo para conseguir aumentar a oferta de energia eltrica no pas.

Vendo este cenrio onde a demanda aumenta mais que a oferta, percebe-se que o Bra-sil necessita de uma reestruturao, passando de uma matriz praticamente toda hidreltrica,altamente dependente das variaes climatolgicas para uma matriz mais competitiva, onde ocrescimento econmico possa ser atendido.

A nova tendncia parece apontar para uma soluo cada vez mais particularizada, ondepequenas centrais de gerao atenderiam as necessidades da populao com menor impactoambiental. A energia elica j uma realidade no Brasil, principalmente pelo parque instalado

no Rio Grande do Sul e, ao que tudo indica, ser uma alternativa ao sistema energtico atual.Da mesma forma, existe considervel espao neste sistema destinado ao aquecimento de guadomstica, para o qual se estima que o Brasil utilize 6% da energia total consumida (ANEEL,2004), atravs da implantao de sistemas solares trmicos. Este tipo de gerao vem ganhan-do espao, pois no depende do consumo de um combustvel, e sim da energia disponvel nanatureza. Este tipo de instalao, antes visto como invivel economicamente, vem aumentan-do pois a entrada no mercado de novos fornecedores e novas tecnologias est fazendo comque o custo da instalao se torne cada vez mais acessvel.

A Sociedade Porto Alegretense de Auxlio aos Necessitados - SPAAN uma socieda-de beneficente que depende de doaes da comunidade e de empresas para manter sua opera-o. Essas doaes de empresas so repassadas pelo governo que direciona parte do ICMSarrecadado para a instituio desde que ela apresente um projeto. A SPAAN atende hoje a-

proximadamente 160 hspedes, em sua maioria pessoas sem famlia e totalmente dependen-tes da instituio. A maioria dos moradores no tem nenhuma renda e estima-se que o gastomdio mensal por morador gire em torno de R$1.200,00.

Este trabalho tem como objetivo realizar um estudo de viabilidade tcnica e econmi-ca para implantao de sistema de aquecimento solar de gua no prdio da SPAAN. O estudoser usado pela instituio na busca de financiamento para sua implantao, baseado no me-canismo de repasse de ICMS, como descrito anteriormente.


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2. FUNDAMENTAO TERICA

2.1. Sistema solar de aquecimento de gua

A norma ABNT NBR 12269 Instalao de sistema de aquecimento solar de gua emcircuito direto, fixa as condies necessrias e exigveis para a execuo e manuteno deinstalaes de aquecimento solar de gua em circuito direto. A tabela A1 em anexo apresentaos componentes e suas respectivas funes para um sistema de aquecimento de gua.

2.2. Coletores solares

Os coletores so dispositivos utilizados para captar a energia disponvel pelo sol econvert-la em energia trmica, podendo ser do tipo plano ou de concentrao. A normaABNT NBR 10184 (1988) estabelece os procedimentos para a determinao da eficinciainstantnea do coletor e propem que os testes de desempenho sejam realizados o mais pr-

ximo das condies reais de operao, estabelecendo mtodos experimentais, requisitos deexatido e condies meteorolgicas.

A equao 1 representa a eficincia do coletor. Esta eficincia trmica definida comoa relao entre a energia til ganha pelo coletor e a radiao que chega ao seu plano.

( )

TC

eSp

TC

u

GA

TTCm

GA

Q ==

&

(1)

onde a eficincia, uQ a energia transferida gua, TG a radiao solar incidente no

plano do coletor,C

A a rea do coletor, m& a vazo da gua,p

C o calor especfico da

gua, ST a temperatura de sada da gua e eT a temperatura de entrada da gua. A energia

total de um coletor pode ser calculada por meio da diferena entre a energia absorvida e assuas perdas trmicas, conforme apresentado na equao 2.

( ) ( )[ ]aeLTRcu TTUTGFAQ = (2)

onde RF a capacidade de o coletor transferir calor para a gua conhecido como fator de

remoo de calor; LU o coeficiente global de perdas, que rene todas as perdas trmicas do

coletor; (ab) o produto da transmitncia e absortncia; e aT representa a temperatura ambi-

ente. Ento, a eficincia do sistema pode ser definida conforme equao 3:

( ) ( )

==

T

aeLR

TC

u

G

TTUF

GA

Q . (3)

A Figura 1 mostra um coletor solar plano fechado com vista explodida onde mostraseus componentes internos e tambm uma foto com trs tamanhos de coletores apresentados

pela Heliotek no oramento solicitado conforme ser mostrado no item de anlise financeira.


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Figura 1 Coletor solar plano fechado (Fonte: Heliotek, 2006).

2.3. Reservatrio trmico

Os sistemas de aquecimento por energia solar devem ter um reservatrio trmico queacumule o fluido aquecido sem degradao ou corroso. Estes reservatrios so importantes

pelo fato da radiao solar no ser constante durante todo o dia, o que leva a necessidade de searmazenar a energia em forma de gua quente para uso posterior.

Como o reservatrio trmico responsvel por armazenar toda a gua aquecida noscoletores, ele deve possuir caractersticas especiais para que o sistema opere em nveis mxi-mos de eficincia. Devem ser fabricados com material com baixo ndice de trocas trmicascom o ambiente, sendo o mais indicado o ao inoxidvel, porm seu custo elevado muitasvezes limita seu uso.

A Figura 2 mostra um exemplo de reservatrio trmico fabricado pela Heliotek. Estereservatrio (Segundo Heliotek fabricante) tem como caracterstica de funcionamento a tro-ca indireta de energia, isto , a circulao nos coletores no ocorre com a gua e sim atravsde um lquido especial que no permite o congelamento do sistema nos dias mais frios. Den-tro do reservatrio o fluido circula em uma camisa ao redor do cilindro de ao inoxidvel con-tendo a gua a ser aquecida.

Figura 2 Reservatrio trmico (Fonte: Heliotek, 2006).

2.4. Coeficiente de perdas nos reservatrios

Para que a gua contida no reservatrio no libere calor para o ambiente devem ser uti-lizados reservatrios com baixo coeficiente global de perdas trmicas UL. Este coeficiente definido considerando as trocas por conveco interna, conduo pelas paredes, conveco e

radiao nas paredes externas. Normalmente o reservatrio trmico considerado como aprincipal parte do sistema, pois na maior parte das instalaes, tanto a gua quente vinda dos


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coletores como do aquecedor auxiliar convergem para ele, ou ento o prprio reservatriofunciona com aquecedor auxiliar, tendo nele uma resistncia eltrica por exemplo.

2.5. Fonte auxiliar de energia

Os sistemas de aquecimento de gua por energia solar dificilmente so dimensionadospara fornecer toda a energia necessria ao aquecimento da gua a ser consumida. Caso fos-sem, a quantidade de coletores e o volume do reservatrio inviabilizariam o sistema do pontode vista econmico e tambm tornaria a instalao super-dimensionada. Em funo disso, ossistemas so especificados para fornecer entre 50 a 80% da energia trmica necessria. Nosdias em que a energia disponvel pelo sol no suficiente, preciso utilizar uma fonte de e-nergia auxiliar, que pode ser resistncia eltrica ou aquecedor de passagem a gs (aquecedorauxiliar). O primeiro tipo o mais utilizado, pois apresenta um menor investimento inicial,

porm em longo prazo o custo torna-se maior.

2.6. Tubulaes isoladas termicamente

Como em uma instalao solar o reservatrio deve ficar protegido para minimizar aomximo possveis perdas para o ambiente, deve-se tomar muito cuidado com a tubulao quefaz a ligao entra o reservatrio e os coletores. Esta deve ser capaz de suportar o fluido comtemperatura de at 100 C, sem sofrer nenhuma degradao ou corroso. Normalmente, omaterial utilizado o cobre porque apresenta uma boa relao custo / benefcio no que se re-fere resistncia a corroso e durabilidade.

2.7. Configuraes dos sistemas de aquecimento

Os sistemas de aquecimento solar podem utilizar diferentes maneiras para aquecer agua, diretamente no coletor ou de forma indireta atravs de fluido refrigerante. A circulaoda gua ou do fluido pode ser por diferena de densidade devido s temperaturas, termossifo,onde a gua quando aquecida nos coletores (menor densidade), sobe at o reservatrio trmi-co onde a gua fria (maior densidade), desce para os coletores, ou atravs de bombeamento,onde o funcionamento da bomba controlado pelo CDT - Controlador Diferencial de Tempe-ratura - que avalia o momento correto para ligar o sistema. As quatro configuraes possveisesto listadas abaixo:

1 Sistema ativo direto;

2 Sistema ativo indireto;3 Sistema passivo direto e4 Sistema passivo indireto.

2.7.1. Sistema ativo

Os sistemas ativos so aqueles em que a circulao da gua pelos coletores ocorre a-travs do uso de bomba (circulao forada), permitindo a instalao tanto dos coletores comodo reservatrio, em qualquer posio, conforme ilustrado na Figura 3 a seguir. O princpio defuncionamento destes sistemas consiste no controle de acionamento da bomba por meio desensores de temperatura instalados na entrada e sada dos coletores. Quando a diferena de

temperatura entre a parte superior do coletor e o reservatrio atinge um valor pr-estabelecido bomba acionada. O desligamento da bomba ocorre quando esta diferena de temperaturatorna-se muito pequena ou quando a gua atinge a temperatura estabelecida.


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Na utilizao deste sistema em regies em que a temperatura ambiente possa ser muitobaixa, prxima a 0 C, deve ser previsto um dispositivo de proteo contra o congelamento dagua no interior do coletor durante a noite.

Figura 3 Esquema de um sistema solar com conveco forada (Fonte: Heliotek, 2006).

2.7.2. Sistema passivo ou termossifo

No sistema passivo ou termossifo, conforme mostrado na Figura 4 abaixo, a circula-o do fluido realizada pelo aquecimento do mesmo no coletor atravs do sol, fazendo comque a sua massa especfica diminua e o seu volume aumente, produzindo um fluxo convectivodo fundo do tanque para a entrada do coletor, da entrada para a sada do coletor e da sada docoletor para o topo do reservatrio.

Este sistema o mais utilizado no Brasil, devido ao fato do clima ajudar o funciona-mento durante o ano inteiro. Para a utilizao deste sistema em regies em que a temperaturaambiente pode ser muito baixa deve ser previsto um dispositivo de proteo contra o conge-lamento da gua.

Figura 4 Esquema de um sistema solar com conveco livre (Fonte: Heliotek, 2006).

Nos sistemas passivos, a posio do reservatrio tem grande importncia para o bomfuncionamento, sendo recomendado que o mesmo fique no mnimo 30 cm acima do coletor

para que no ocorra a circulao reversa. Loureno Jnior (2000) destaca que Huang (apudLOURENO JNIOR, 2000) concluiu por meio da anlise de muitos experimentos, realiza-dos por vrios pesquisadores, a observncia desta altura mnima.

2.8. Carta F

Duffie e Beckman (1991) so dois pioneiros do estudo cientfico da energia solar

(DUFFIE & BECKMAN, 1991) desenvolveram um algoritmo denominado carta F, muitoprtico e baseado em dados de diversas simulaes, voltado para o dimensionamento de sis-temas solares trmicos a partir da curva de eficincia instantnea do coletor solar. Esta curva,


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tambm chamada de curva caracterstica, est baseada em dois parmetros que representam ocomportamento de cada coletor. O parmetro () representa a parcela de energia radianteabsorvida pelo coletor solar e, na sua curva, representa o ponto em que esta cruza o eixo dasordenadas. O parmetro UL um coeficiente global de troca de calor que representa suas per-

das para o meio. Em sua curva, LRUF a inclinao com sinal negativo.A carta F uma ferramenta capaz de mensurar a quantidade de energia suprida pelo

sistema solar. Este valor conhecido por frao solar e expresso como:

total

auxtotal

Q

QQf

= (4)

onde f a frao solar suprida pelo sistema, totalQ e auxQ so as energias, total e auxiliar

respectivamente necessrias para o aquecimento da gua.A carta F calcula a frao solar a partir de dois parmetros adimensionais X e Y. X re-

laciona as perdas de calor do coletor para o meio enquanto Y relaciona o calor absorvido pelocoletor. As equaes para X e Y esto monstradas abaixo como equaes 5 e 6.

L

tTTUFAX

arefLRc =

)((5)

L

NHFAY TRc

)(= (6)

A partir destes valores, utiliza-se a relao 7 para o clculo da frao solar.

32 021,00081,0245,0065,0029,1 YXYXYf cc ++= (7)

ondeXcrepresenta uma correo para excluir o aquecimento ambiental conforme equao 8.

0,2511,6 1,18 2,32 2,32

.100 75

w m a t c

a c

T T T V X X

T A

+

=

(8)

Sendo cA a rea do coletor, RF o fator de remoo de calor do coletor, LU o coefici-

ente de perdas trmicas do coletor, ft o nmero total de segundos no ms, WT a mnima tem-peratura para gua quente, aT a temperatura mdia do ms, refT uma temperatura emprica, L

a mdia total de energia para o aquecimento de gua para consumo, TH a intensidade da ra-

diao diria em mdia mensal incidente no coletor por unidade de rea, N os dias do ms, tV

o volume total do reservatrio trmico e () a mdia mensal do produto transmitncia ab-sortncia.

3. APRESENTAO DO PROBLEMA

O sistema proposto tem como objetivo suprir a demanda de gua quente na sede daSPAAN, tanto para uso nos chuveiros como para uso na cozinha.


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3.1. A SPAAN Sociedade Porto Alegrense de Auxlio aos Necessitados

A SPAAN localiza-se na Avenida Nonoai, nmero 600, Porto Alegre. As instalaesesto distribudas em um terreno de 15 mil m com rea construda de 4.200 m, a casa possui

46 quartos, 22 banheiros, trs refeitrios, cozinha e lavanderia industriais, cmara fria paraalimentos, gabinete mdico e odontolgico, farmcia, salo de beleza, sala de jogos, salo defestas, capela ecumnica e casa da administrao. A distribuio das instalaes pode ser vi-sualizada na Figura 5 abaixo, como segue:

Figura 5 Vista area da SPAAN obtido no Google Earth, em abril de 2006.Onde: 1 - Pavilho A - Cozinha; 2 - Pavilho Central; 3 - Pavilho B - Alojamentos;

4 - Lavanderia Industrial; 5 - Casa da Administrao e 6 - Capela.

3.2. Levantamento da carga trmica para aquecimento da gua

Para o levantamento da carga trmica, foram considerados alguns cenrios de configu-rao, com lotao de ocupao da casa variando entre 160, 180 e 200 pessoas. Como a cana-lizao de gua quente existente na casa muito antiga e no existem mais plantas com deta-lhamento, foi considerado que esta deva ser totalmente refeita. Com esta hiptese considero-se a vazo nos chuveiros padronizada, desconsiderando as vazes medidas.

Estudo das Contas de gua e Luz: A SPAAN abastecida a partir de duas entradas degua e de luz, nas Ruas Nonoai e Erechim. Foi realizado um levantamento para verificar oconsumo de gua e luz em ambos os pontos. Este estudo foi realizado no perodo de dois anos

nas contas de luz, entre maro de 2005 e maro de 2007 resultando em uma mdia deR$5.400,00 por ms, com um gasto mdio de 12.500 kWh, enquanto que as contas de guaforam analisadas no perodo de novembro de 2004 agosto de 2006. Os controles das contasde gua resultaram em uma mdia de 1.250 m/ms. A SPAAN beneficiada com incentivoda CORSAN o que resulta no pagamento do valor mnimo. Com base neste dado foi descon-siderado no estudo o custo da gua.

Os clculos da carga trmica foram realizados a partir de dados colhidos ao longo des-te trabalho nas etapas de visita ao local, em uma pesquisa realizada com os responsveis porcada ala da casa e na anlise das contas de gua e luz. Como foi considerada que a canaliza-o de gua quente deve ser refeita, a vazo em cada chuveiro foi considerada padro. A casaconta hoje com um total de 155 hspedes, porm a capacidade mxima de 200 pessoas.

Esta capacidade dificilmente ser alcanada, pois o histrico aponta para uma mdia inferior a170 pessoas, ento os clculos aqui apresentados sero para 180 pessoas. A Tabela 1 mostraos volumes dirios de gua gastos com banho.

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Tabela 1 Volume dirio consumido com banho.

ALA VAZO N USUARIOS TEMPO MDIO N de chuveiros TOTAL

A 8 40 9 6 2.880,00

B 8 42 9 6 3.024,00

C 8 40 9 2 2.880,00D 8 42 9 6 3.024,00

FUNC. 8 16 8 3 1.024,00

TOTAL Usurios = 180 TOTAL (Litros / dia) = 12.832

Carga trmica banho - 180 pessoas

Tambm foi considerado o gasto do uso de gua quente na cozinha. Os valores paraconsumo em litros de gua por refeio foram retirados do texto tcnico Sistemas prediais degua quente. A tabela 2 abaixo mostra este consumo para o caso em estudo.

Tabela 2 Volume dirio consumido na cozinha.

COZINHA QTDADE LITROS TOTAL

CAF 180 8 1440ALMOO 180 12 2160

LANCHE 180 8 1440

JANTAR 180 12 2160

TOTAL (Litros / dia) = 7.200

COZINHA

Com isto o total de gua a ser aquecido por dia ser a soma do gasto com banho e coma cozinha, resultando em um total de 20.032 litros por dia.

Para o clculo da carga trmica deve ser tomada uma temperatura de armazenamentode gua para consumo. Foi considerado 55C como uma boa temperatura, visto que um banhoideal est em torno de 42C. Esta temperatura de armazenamento facilita a conservao dagua no reservatrio. A outra temperatura avaliada no clculo a temperatura em que a rede

de abastecimento fornece a gua. Para facilitar os clculos foi considerada como temperaturade entrada da rede a temperatura mdia mensal ambiente menos 3 C. Caso esta temperaturafosse ser medida corretamente, seria necessrio um grande tempo de monitoramento no local,o que inviabilizaria a medio. A tabela 3 mostra esta aproximao da temperatura da rede a

partir das mdias mensais da temperatura externa diminuindo-se 3 C.

Tabela 3 Temperatura mdia da gua da rede publica em Porto Alegre. (Fonte: DNMet, 1992)MS JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Temp. Amb (C) 24,6 24,7 23,1 20,1 16,8 14,3 14,5 15,3 16,8 19,2 21,3 23,2

Temp. Rede (C) 21,6 21,7 20,1 17,1 13,8 11,3 11,5 12,3 13,8 16,2 18,3 20,2

A quantidade de energia necessria para atingir o aquecimento necessrio para suprir ademanda, a partir dos dados mencionados acima pode ser calculada a partir da equao 4 quesegue:

( )redeconsumoconsumop TTVcCT = (9)

Onde:=CT Quantidade de energia diria para aquecimento da gua em Joules [J];=pc Calor especfico da gua, igual a 4.186 [J/kg x C];

=consumoV Volume de gua aquecida consumido em um dia em [Litros];

=consumoT Temperatura da gua para consumo em [C] e,

=redeT Temperatura da gua da rede de abastecimento em [C].


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A partir destes dados mostrada na Figura 6 a variao da carga trmica mdia mensaldurante todo o ano. Pode ser visto que nos meses de inverno existe a necessidade de maiorcarga, isto pode ser explicado pela maior variao da temperatura ideal para consumo e atemperatura da gua de abastecimento da rede pblica.

CARGA TRMICA DIRIA

0,00E+00

5,00E+08

1,00E+09

1,50E+09

2,00E+09

2,50E+09

J AN FEV MAR ABR MAI J UN J UL AGO SET OUT NOV DEZ

MS

Figura 6 Carga trmica mdia mensal.

4. DIMENSIONAMENTO PELO MTODO DA CARTA F

4.1. Radiao solar e frao solar

Como primeiro passo para obteno dos resultados deve-se quantificar a energia quepoderia ser convertida no coletor solar. A partir das informaes sobre latitude, longitude,inclinao do coletor e o desvio em relao ao norte, o programa Radiasol, que possui um

banco de dados com a irradiao para diversas cidades do Brasil, permite visualizar de forma

grfica os resultados sobre a radiao solar mensal nos coletores. mostrada na Figura 7 estamdia mensal de radiao para um plano inclinado a 40 direcionado para o norte.

Radiao Solar Diria Plano inclinado 40

0,00E+00

3,00E+066,00E+06

9,00E+061,20E+07

1,50E+071,80E+07

2,10E+07

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

MS

Figura 7 Radiao solar diria para plano inclinado a 40. (Fonte: Radiasol)

Esta inclinao de 40 foi escolhida, pois segundo verificado no Radiasol a que me-lhor atende a necessidade de radiao no inverno, perodo crtico no dimensionamento de sis-temas solares principalmente no Rio Grande do Sul, em comparao com inclinaes de 30 e50, por exemplo.

Os valores das variveis envolvidas nos clculos atravs da carta F foram os mesmos

apresentados na disciplina de Energias Alternativas. Foram adotados os valores de )(RF eLR

UF igual a 0,80 e 3,80 respectivamente. A partir destes valores e com a incluso dos de-mais dados como quantidade de pessoas e consumo dirio de gua, o programa fornece a de-


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manda de energia diria necessria para aquecer a gua apresentando os resultados em formade frao solar. Quanto maior a rea de coletores utilizada, maior ser a frao solar, porm ocusto de todo o sistema tambm aumenta. As Figuras de 8 a 12 abaixo, mostram esta frao

para algumas reas de coletores estudadas.

FRAO SOLAR

0 , 0 0

0 , 2 0

0 , 4 0

0 , 6 0

0 , 8 0

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TEM PO (meses)

FATOR

"f"

120,00 FRAO SOLAR

0 , 0 0

0 , 2 0

0 , 4 0

0 , 6 0

0 , 8 0

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TEM PO (meses)

FATOR

"f

150,00

Figura 8 Frao solar para 120m. Figura 9 Frao solar para 150m.

FRAO SOLAR

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TEMPO (mese s)

FATOR

"f

180,00

Figura 10 Frao solar para 180m.

FRAO SOLAR

0 , 00

0 , 20

0 , 40

0 , 60

0 , 80

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TEM PO ( meses)

FATOR

"f

210,00 FRAO SOLAR

0 , 0 0

0 , 2 0

0 , 4 0

0 , 6 0

0 , 8 0

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TEM PO (meses)

F

ATOR

"f

2 4 0 , 0 0

Figura 11 Frao solar para 210m. Figura 12 Frao solar para 240m.

Analisando os resultados obtidos verifica-se que uma boa opo para suprir a demandada casa seria a instalao de 180m de coletores. Esta rea, apesar de no apresentar f = 1

para todos os meses do ano, isto , 100% da necessidade atendida pelo sol, mostrou-se bastan-te vantajosa, pois atende bem a demanda na maior parte do ano. Para que um sistema atenda

em 100% a necessidade de uma instalao preciso que este funcione independente de aque-cimento auxiliar no inverno, o que o tornaria invivel, pois a grande diferena de temperatu-ras nesta poca do ano faz com que uma rea muito grande seja necessria. Isto tambm superdimensionaria o sistema no vero.


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4.2. TRNSYS - Transient System Simulation Program

O dimensionamento do sistema em estudo atravs do mtodo da carta-f apresentou re-sultados que devem ser analisados com cuidado. A operao do sistema na SPAAN deve pre-

ver o consumo da gua em horrios distribudos ao longo do dia. Em funo deste perfil deconsumo, surgiu o questionamento sobre a capacidade do mtodo da carta-f em prever corre-tamente essa distribuio.

Com o objetivo de confirmar a validade dos resultados obtidos na carta F foi realizadauma simulao do sistema nosoftware Trnsys.

Esta ferramenta esta disponvel comercialmente desde 1975 e foi desenvolvida pelolaboratrio de Energia solar da Universidade de Wisconsin (USA) para estudos envolvendoenergia solar. John A Duffie e William A Beckmann, conhecidos pela autoria do livro SolarEngineering of Thermal Processes.

O sistema solar montado com o auxlio de modelos ou sub-rotinas, denominadas detypes, e que representam equipamentos solares e mdulos de clculo auxiliares do programa,

conforme mostra a Figura 13. Os typesso conectados de acordo com suas funes a fim dereproduzir o sistema real.

As sub-rotinas (types) que representam o sistema em estudo esto mostradas abaixo,conforme Figura 13:

Figura 13 Janela de montagem para simulao do sistema proposto.

As principais sub-rotinas usadas na simulao esto descritas abaixo:

TYPE 9e a sub-rotina de entrada do sistema, fornece hora, dia, ms, radiao inci-dente, velocidade mdia e temperaturas de bulbo seco e mido.

TYPE collector_T1b Funcionam como o coletor solar enviando informaes como va-zo e temperatura da gua quente para o reservatrio.

TYPE pump_T3d a bomba que faz a gua do sistema circular entre os coletores e osreservatrios.

TYPE 14h a sub-rotina que fornece o dado referente aos horrios e quantidades con-sumidas de gua, por exemplo.

TYPE heater_T6 Representa a energia auxiliar empregada ao sistema.TYPE 60cNoHeat Representa o reservatrio trmico.TYPE 25a Fornece a sada de dados referente a energia consumida no sistema.


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A Figura 14 mostra o resultado de simulaes do sistema onde aparecem trs tempera-turas importantes do sistema, em rosa a temperatura ambiente, em azul a temperatura do re-servatrio e em vermelho aparece a temperatura da ducha onde esta menor que a temperatu-ra fixada para o banho. Isto significa que onde aparece a linha vermelha na figura acionado

o sistema auxiliar de aquecimento, isto , onde o sistema solar no consegue suprir a deman-da.

Figura 14 Variao das temperaturas ao longo do ano.

Na Figura 15 pode ser observada a variao da temperatura da gua do coletor ao lon-go do ano, nota-se que esta aparece sempre a partir da temperatura ambiente, nunca estandoabaixo, isto pode ser explicado pelo fato do software desconsiderar as perdas no perodo danoite.

Figura 15 Variao da temperatura dos coletores ao longo do ano.

A partir da validao do sistema montado no programa foram realizadas diversas si-mulaes variando a entrada do fluxo de gua da rede que abastece o reservatrio. Esta varia-o necessria pois o gasto de gua quente no exatamente o que sai no chuveiro. A guaque sai do reservatrio est, na maior parte do ano, bem acima da temperatura esperada para o

banho de aproximadamente 42C. Esta gua ento misturada com a gua da rede a fim defazer a mistura ideal para o banho. Com isto consegue-se mensurar a carga necessria no pe-rodo em que o sistema no consegue atender a demanda de gua necessria para o uso. AFigura 16 mostra a comparao do fator f fornecido pela carta F e a frao atendida con-forme o software trnsys.


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COMPARAO F-CHART / TRNSYS

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

J AN F EV M AR A BR M AI J UN J UL A GO S ET O UT N OV D EZ

MS

FATOR

"f

CARTA F TRNSYS

Figura 16 Fraes solares atendidas pelo sistema. Carta F e Trnsys.

5. PROPOSTA DE SISTEMA

5.1. Reservatrios trmicos

Para o dimensionamento dos reservatrios trmicos recomendado usar a proporode 75 litros por m de coletor. Como o coletor selecionado tem uma rea de 1,5m deveria serconsiderado um reservatrio com 13.500 litros, porm foi considerado um volume de 14.000litros divididos em duas baterias de sete reservatrios, cada um com capacidade de 1.000 li-tros, o que bem aceitvel visto que o fornecedor dos equipamentos, Heliotek, indica umvolume de 100 litros por placa instalada, o que no projeto estudado representaria um total de12.000 litros.

5.2. Desenho do lay-out da instalaoA rea indicada para a instalao do sistema a cobertura do pavilho central (n 2 na

Figura 5) que mede 13,0 x 30,0 metros. Neste espao esto localizadas as duas caixas de a-bastecimento de gua da casa, com capacidade de 15.000 litros cada. Aparentemente a estru-tura de concreto sob a cobertura no seria afetada em nada com o peso do sistema a ser insta-lado, calculado em aproximadamente 20.000 kg, j considerando o peso dos fluidos. Porm,caso o sistema realmente venha a ser instalado, dever ser realizada uma anlise tcnica a fimde se ter certeza que a estrutura no sofrer nenhum abalo com o peso adicional. A Figura 17mostra em corte um croqui da idia apresentada para a instalao do sistema.

Figura 17 Croqui proposto da instalao sobre a cobertura do pavilho central.


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5.3. Estudo da viabilidade financeira

Para verificar se um sistema de aquecimento solar vivel deve-se analisar o tempo ne-cessrio para que o custo da instalao e dos equipamentos, somado aos custos com a manu-

teno anual se torne inferior a economia alcanada com a energia solar, isto , deve-se saberem quanto tempo o sistema estar pago e gerando lucro. Normalmente um sistema solar insta-lado tem um tempo de retorno estimado em torno de 6 anos. Esta comparao entre a energiasolar e eltrica possvel porque calculou-se o gasto da energia solar como se esta fosse el-trica.

Para realizao da anlise dos custos, foram solicitados alguns oramentos para forne-cedores de equipamentos, acessrios e servios a fim de quantificar o montante necessrio

para a execuo do projeto. O oramento da empresa Heliotek foi escolhido para mostrar ocomportamento da curva financeira do projeto.

A tabela 4 abaixo mostra os preos orados para a instalao dos equipamentos confor-me trs possveis reas de coletores avaliadas.

Tabela 4: Oramento apresentado pela empresa Heliotek.

OPO 1 OPO 2 OPO 3

COLETORES

rea 150,00 180,00 210,00

N Placas 100 120 140

Modelo

Dimenses 1,00 x 1,50 1,00 x 1,50 1,00 x 1,50

Valor unitario R$ 600,00 R$ 600,00 R$ 600,00

Valor total R$ 60.000,00 R$ 72.000,00 R$ 84.000,00

RESERVATRIO

Modelo

Quantidade 12 14 16

Valor unitario R$ 6.270,00 R$ 6.270,00 R$ 6.270,00

Valor total R$ 75.240,00 R$ 87.780,00 R$ 100.320,00

LIQUIDO ANTICONGELANTE

Quantidade 24 26 30

Galo de 5 Litros (Unitrio) R$ 300,00 R$ 300,00 R$ 300,00

Valor total R$ 7.200,00 R$ 7.800,00 R$ 9.000,00OUTROS ITENS

Instalao R$ 4.500,00 R$ 4.850,00 R$ 5.350,00

Estrutura R$ 6.000,00 R$ 7.200,00 R$ 8.400,00

Acessrios R$ 3.000,00 R$ 3.600,00 R$ 4.200,00

Tubulao R$ 3.000,00 R$ 3.600,00 R$ 4.200,00

Bomba R$ 10.000,00 R$ 10.000,00 R$ 10.000,00

TOTAL R$ 168.940,00 R$ 196.830,00 R$ 225.470,00

LEVANTAMENTO DE CUSTOS DE EQUIPAMENTOS

MOD.K2 - 1000 litros

MC15

A partir da anlise do oramento apresentado na tabela 5 calcula-se o valor presente li-quido (VPL) do projeto, o VPL consiste na frmula matemtico financeira de se determinar ovalor presente de pagamentos futuros descontados a uma taxa de juros apropriada, menos ocusto do investimento inicial. Basicamente, o clculo de quanto os futuros pagamentos, so-mados a um custo inicial estariam valendo atualmente.

A Figura 18 mostra o VPL para trs possveis reas de coletores. Pode ser visto que paratodas as reas o tempo de retorno fica entre 6 e 7 anos o que levaria a escolha da menor reapor apresentar o menor custo, porm a rea de 180m seria a mais indicada, pois apresenta umVPL maior ao final de um perodo de tempo maior.

VARIAO DO VPL

-250,000

-200,000

-150,000

-100,000

-50,000

0

50,000

100,000

150,000

0 3 6 9 12

ANOS

VALOR

(R$)

210.00 180.00 150.00

Figura 18 Valor presente lquido para 150, 180, 210 m de rea de coletores.


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6. CONCLUSO

O dimensionamento de sistemas pelo mtodo da carta F largamente utilizado, pormno se sabe ao certo at que ponto este mtodo confivel. A comparao apresentada na

Figura 16 mostra que os resultados obtidos na carta F ficaram um pouco inferiores aos simu-lados no software Trnsys. Algumas consideraes devem ser feitas:- Os valores de entrada de radiao solar foram diferentes nos dois mtodos;- A vazo de consumo de gua tratada de maneira diferente nos dois mtodos. Na

carta-f considerado um valor de consumo dirio por pessoa, enquanto que no trnsys deve-seestimar quanto da gua da rede tem que ser reposta no reservatrio conforme o perodo doano.

Esses mtodos computacionais so extremamente eficientes e prticos no momentoem que inmeras variveis so manipuladas e apresentadas de forma rpida como resultadosao usurio. Porm no momento de fazer uma comparao entre dois mtodos deve-se ter cui-dado para que as variveis estejam coerentes. Esta diferena em alguns parmetros explica o

porqu dos mtodos no apresentarem resultados iguais.A escolha da rea de 180m de coletores justificada para que o sistema no fique su-

per dimensionado no vero. Para um sistema atender na totalidade a demanda de gua quente,sem a necessidade de energia auxiliar, este deve ter uma rea muito grande, o que tornaria o

projeto invivel economicamente.O projeto proposto apresenta-se vivel tecnicamente principalmente pela SPAAN a-

presentar um local privilegiado para a instalao dos equipamentos, onde os coletores ficarodirecionados diretamente para o norte sobre uma estrutura metlica a ser construda. Tambmdo ponto de vista econmico o projeto mostrou-se bastante atrativo com o tempo de retornodo investimento de aproximadamente sete anos, tempo este dentro da faixa esperada para um

bom projeto, visto que um sistema solar tem uma expectativa de vida til superior a vinte a-nos.

Na anlise econmica foram feitas algumas consideraes visando simplificar o ora-mento. Os valores da tubulao de cobre a ser instalada e dos acessrios como vlvulas e

bombas hidrulicas foram mensurados a partir de uma porcentagem do custo dos coletores.Tambm a parte da estrutura metlica onde os coletores ficariam apoiados no foi detalhadano projeto nem na anlise financeira, sendo apenas considerada como percentual do custo doscoletores. Porm estas simplificaes no afetam significativamente os resultados, visto queestes valores representam uma parcela pequena do montante total do projeto

Sugere-se ainda que no momento em que a SPAAN for colocar em prtica este projetonovos oramentos sejam solicitados, pois alguns fornecedores de equipamentos tambm pos-

suem programas de incentivo para instituies beneficentes, o que poder reduzir os custos dosistema tornando-o mais atrativo ainda.


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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

BECKMAN, W. A., KLEIN, S. A., DUFFIE, J, A., Solar Heating Design by the F-Chart Me-

thod, Wiley, New York, 1977.

DEPARTAMENTO NACIONAL DE METEREOLOGIA, Normais Climatolgicos (1961-1990), Secretaria Nacional de Irrigao, Ministrio da Agricultura e Reforma Agrria, Bras-lia, 1992.

HELIOTEK coletores solar www.heliotek.com.br

IEM, Intercambio Eletro mecnico LTDA. www.iem.com.bracessado em maio de 2007.

LOURENO Jr, I., Estudo de Um Sistema de Aquecimento de gua Hbrido Gs-Solar, Dis-

sertao de Mestrado, LABSOLAR, PROMEC, UFRGS, Porto Alegre, Brasil, 2000.

SOLARCAD, Pacote de Simulao e Projeto Assistido Por Computador de Sistemas de Con-verso de Energia Solar, Laboratrio de Energia Solar, UFRGS, em desenvolvimento, 2004.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

ABNT NBR 12.269, 2006. INSTALAO DE SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLARDE GUA EM CIRCUITO DIRETO PROCEDIMENTO, ABNT NBR 12.269, ago.

BAPTISTA, A. S. C., Anlise de viabilidade econmica da utilizao de aquecedores solaresde gua em resorts no nordeste do Brasil, Dissertao de Mestrado, Universidade Federal doRio de Janeiro COPPE, RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL.

DUFFIE, J. A., BECKMAN, W. A., Solar Engeneering of Thermal Processes, Wiley, NewYork, 1991.

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KRENZINGER, A. Desempenho trmico de coletor solar. Certificado 013/2001. Laboratriode Energia Solar, PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, 2001.

SILVA E. C., Como Administrar o Fluxo de Caixa das Empresas, Guia prtico e objetivo deapoio aos executivos, Ed Atlas, 2 Edio Revisada.


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APNDICES

Desenhos das vistas (em corte e superior respectivamente) da cobertura do pavilho centraldo croqui da instalao.


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ANEXOS

Tabela A1: Apresenta os componentes de um sistema solar (Fonte: ABNT NBR 12.269)

ITEM COMPONENTE FUNO

1 Coletor Solar Converter energia radiante em energia trmica2 Reservatrio Trmico Acumular energia trmica - gua aquecida

3Controlador diferencial de

temperatura

Controlar o funcionamento da bomba hidrulicado sistema de aquecimento solar e eventualmente

possui funes de segurana

4 Sensor de temperaturaMedir a temperatura do fluido em pontos especfi-

cos do sistema de aquecimento solar

5 Reservatrio de expansoProteger o sistema contra variaes de pressocausadas durante o funcionamento do sistema

6 Vlvula de alivio de pressoAliviar automaticamente a presso do sistema caso

a presso mxima seja atingida7 Vlvula de reteno No permitir o movimento reverso da gua

8 Vlvula eliminadora de Ar Permitir a sada do ar do sistema

9 Vlvula quebra VcuoAliviar presses negativas formadas durante o

funcionamento do sistema permitindo a entrada deAr

10 DrenoPossibilitar o escoamento ou drenagem do fluido

do sistema

11 Moto bomba Promover a circulao forada da gua

12 Tubos e conexesInterconectar os componentes e transportar gua

aquecida13 Isolamento trmico Minimizar perdas trmicas dos componentes

14Equipamento auxiliar de a-

quecimentoSuprir a demanda trmica complementar do siste-

ma de aquecimento

Diogo Rodrigues Schmitt

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