LOW COST SOLAR WATER HEATER SYSTEM FOR BATHS MANUFACTURED WITH PVC TUBES.
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ar10202408311714
Paulo Vitor Faria Martins;
Orientador: Prof. Jarilson de Souza Silva;
Coorientador: prof. João Vitor de Souza Boechat.
Resumo
A crescente demanda por energia renovável e sustentável impulsiona o desenvolvimento de soluções alternativas para o aquecimento de água, como os aquecedores solares de baixo custo fabricados com tubos de PVC. Este trabalho apresenta um resumo das características, vantagens e desvantagens desse sistema, além de considerações importantes para sua implementação. O sistema de aquecimento solar com tubos de PVC consiste em coletores solares fabricados com tubos de PVC pintados de preto, conectados a uma caixa d’água através de tubulações. A água fria circula pelos tubos, absorvendo a energia solar e aquecendo-se. A água aquecida ascende naturalmente para a caixa d’água, onde é armazenada até o uso
Palavras chaves: aquecedor solar, equipamentos de baixo custo em pvc
Summary
The growing demand for renewable and sustainable energy is driving the development of alternative solutions for water heating, such as low-cost solar heaters made from PVC pipes. This work presents a summary of the characteristics, advantages and disadvantages of this system, as well as important considerations for its implementation. The solar heating system with PVC pipes consists of solar collectors made from PVC pipes painted black, connected to a water tank through pipes. Cold water circulates through the tubes, absorbing solar energy and heating up. The heated water rises naturally to the water tank, where it is stored until use.
Keywords: solar heater, low-cost PVC equipment
1. INTRODUÇÃO
O Brasil é conhecido como um país que é beneficiado de uma efetiva quantidade de irradiação solar, a qual se estende em quase todos os dias do ano. Esta energia limpa e sustentável se renova diariamente, e está disponível ao redor de cada residência, com o potencial para ser aproveitada de forma a substituir ou complementar fontes tradicionais de energia, sejam elas fósseis ou elétricas, em especial quando o objetivo é o aquecimento de água. Deste modo, uma das formas de energia mais consumida nas residências brasileiras é a elétrica (WOELZ, 2002).
O aumento constante do valor da energia elétrica tem atingido principalmente a renda de indivíduos menos favorecidos da sociedade, considerados de baixa renda. Essas famílias muitas vezes têm que abrir mão de investir em outras áreas básicas como alimentação, educação e saúde para dividir sua renda também com a despesa da energia, o que contribui ainda mais para com a situação de pobreza (CRUZ, 2016).
O consumo de energia elétrica no Brasil é muito alto, e para que haja geração dessa energia é necessária à construção de usinas e redes de distribuição elétrica que prejudicam o meio ambiente. Até mesmo as usinas hidrelétricas, que são vistas como “geradoras de energia limpa”. As obras de uma usina hidrelétrica incluem o desvio do curso do rio e a formação do reservatório. A água do rio movimenta as turbinas que estão ligadas a geradores, possibilitando a conversão da energia mecânica em elétrica (CCEE, online).
Dentre as desvantagens de sua utilização podemos observar o desmatamento, a perda do equilíbrio do ecossistema, já que as áreas onde as hidrelétricas são construídas são amplas necessitam de uma área extensa. Assim ocorre perda em relação à flora existente na região, desencadeando um desequilíbrio em relação aos ecossistemas locais. Outro fator é o impacto na vida aquática e a mudança do clima local, uma vez que o reservatório concentra uma ampla quantidade de água, aumentando a transpiração nos locais onde as hidrelétricas estão instaladas.
Como perder o conforto que a eletricidade nos traz não é uma opção, a solução mais viável se torna economizar ao máximo a energia com fontes renováveis, para assim evitar que mais usinas que danificam o meio ambiente sejam construídas.
O aquecimento de água para utilização doméstica, especialmente para o banho, é uma prática muito difundida, estando presente na maior parte das residências no Brasil e em diversos outros países. Dentre as várias alternativas para o aquecimento, a mais utilizada no Brasil é o aquecimento elétrico de passagem, representada em sua quase totalidade pelo chuveiro elétrico (ABNT, 1992).
O chuveiro elétrico é um equipamento que apresenta baixo custo de aquisição, simplicidade na instalação, além de baixa complexidade tanto para operação quanto para manutenção. No entanto, o baixo custo de aquisição do chuveiro resulta em um alto custo de utilização, pois é um equipamento de alta potência. A norma ABNT que padroniza os chuveiros elétricos estabelece limites de potência entre 2200 W e 11000 W. Valores comerciais oscilam entre 2500 w e 5600 w. Assim, para o consumidor, o impacto do chuveiro é o aumento na conta de energia, pois ele corresponde a mais de 20% de todo o consumo residencial do país (ANEEL, 2010).
Uma das alternativas possíveis é a produção da energia por meio de irradiação solar, onde a mesma reduz tanto o impacto ambiental quanto o gasto financeiro destas pessoas. Com a redução da conta, consequentemente terá espaço para investir em melhor qualidade de vida. Essa alternativa pode ser ampliada caso outras soluções sustentáveis sejam implantadas como, por exemplo, a instalação de um boiler para aquecimento solar da água (TSURUDA et al, 2017).
Principalmente a partir do ano 2000, os sistemas de aquecimento solar (SAS) passaram a ser incorporados como estratégia brasileira para promover a eficiência energética, cujas ações partiram das concessionárias de energia elétrica que necessitavam aplicar recursos em projetos nessa área (Eletrobras Procel, 2012).
A energia solar é o recurso energético mais abundante no mundo, mesmo nas regiões menos favorecidas pela irradiação solar. Para VASCONCELLOS & LIMBERGER (2012), a adoção de um sistema da energia solar térmica como fonte primária no aquecimento de água do banho em vez do uso da eletricidade através da resistência do chuveiro, resulta em diversas vantagens. Dessa forma, é benéfico tanto para os consumidores quanto para as companhias de energia elétrica, além das questões relacionadas à preservação ao meio ambiente.
É importante destacar que por motivos de complexidade, opta-se por considerar apenas residências do tipo casa, conhecidas também como residências unifamiliares. O motivo para isso é simples, o dimensionamento e o custo de instalação dependem do tipo de domicílio que irá recebê-lo. No caso de prédios (apartamentos) o dimensionamento do sistema de aquecimento solar é mais complexo e o custo maior, quando comparado ao de uma casa (CRUZ, 2016).
1.1 JUSTIFICATIVA
O presente trabalho se explica na necessidade de beneficiar o consumo, reduzindo as despesas nas encontram em situação de vulnerabilidade econômica. As famílias têm que abrir mão de investir em áreas básicas como alimentação, educação e saúde para arcar com a despesa da energia, o que contribui com a situação de pobreza (CRUZ, 2016). Dessa forma, surge a necessidade de encontrar meios alternativos de produção de energia limpa, acessível e de baixo custo.
De forma geral, os resultados de uso final do consumo de energia elétrica para o aquecimento de água no Brasil indicam que programas e incentivos ao uso de sistema solar de aquecimento de água devem ser intensificados, principalmente na região Sudeste, que apresentou elevado consumo elétrico em 2019, com base na PPH 2018- 2019. Esse relatório ainda aponta, conforme a Tabela 1, que apenas 0,96% dos domicílios brasileiros, em média, possuem sistema solar para aquecimento de água, e um total de mais de 60% dos domicílios utilizam o chuveiro de forma natural sem aquecimento (ELETROBRAS, 2019).
Tabela 1 – Fonte de Aquecimento da Água do Chuveiro do Domicílio – BRASIL / Região – Julho de 2018 a Abril de 2019
Fonte: Eletrobras, 2019.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Elaborar um projeto de aquecimento solar de água, para melhorar a qualidade de vida de famílias de baixa renda e para reduzir custos.
1.2.2 Objetivos específicos
- Projetar um sistema simples e eficiente para aquecimento de água através do sol; • Analisar os materiais necessários para construção do sistema e como reduzir custos do projeto;
- Analisar a eficiência do sistema e a possibilidade de melhorias;
- Analisar se o sistema propicia melhoria na qualidade de vida.
REVISÃO DE LITERATURA
2.1. ENERGIA SOLAR
Segundo Abreu (2005), o Sol é a estrela central do sistema solar e possui a função de ser uma fonte de energia indispensável para a existência de vida no planeta Terra. Desse modo, a sua composição química consiste em 75% de hidrogênio e 25% de hélio e funciona como um enorme reator de fusão nuclear.
A energia irradiada pelo sol, por sua vez, por ser uma fonte infinita, renovável e gratuita, cada vez mais tem chamado a atenção para pesquisas e estudos que aproveitem este recurso de forma sustentável. Assim, com a crescente demanda por energia, a energia solar ganha destaque para favorecer as atividades humanas, sobretudo por causa da preocupação a respeito do uso e esgotamento das fontes de energia de origem fóssil.
De modo geral, a radiação pode ser vista como a propagação de ondas eletromagnéticas. Dessa forma, o espectro eletromagnético está representado na Figura 1, onde a radiação solar está compreendida de 0,1 até 100 μm, com pequeno comprimento de onda. É a porção intermediária do espectro, que se estende e que inclui uma fração da UV e todo o visível e o infravermelho (IV), que é chamada de radiação térmica, e afeta o estado térmico ou a temperatura da matéria. Por essa razão, a radiação térmica é pertinente à transferência de calor (BERGMAN, 2019).
Figura 1 – Espectro da radiação eletromagnética.
A radiação solar, ao atravessar a atmosfera, sofre fenômenos físicos característicos à propagação de ondas eletromagnéticas em meios semitransparentes. Estes fenômenos envolvidos são conhecidos como espalhamento, reflexão, absorção etc. Sendo assim, a presença de condições adversas (nebulosidade, poluição, umidade) impacta diretamente na redução da incidência de radiação em uma determinada superfície (Abreu, 2005).
De acordo com Rüther (2012), a radiação solar que vem diretamente do sol e que atravessa a atmosfera sem ser espalhada, é chamada de radiação direta. Já aquela que sofreu espalhamento é chamada de difusa. A soma destas é denominada de radiação solar global. Vale ressaltar que é necessário conhecer a intensidade da energia solar em superfícies inclinadas para fins de aplicações tradicionais. Portanto, as superfícies inclinadas têm uma radiação maior que a da superfície horizontal na maioria dos meses.
2.2. FUNCIONAMENTO DE UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA
Como uma fonte renovável, o funcionamento de um sistema de aquecedor solar de baixo custo começa a partir da incidência da energia solar sobre a superfície dos coletores. Esta energia absorvida transforma-se em calor e aquece a água que está no interior dos coletores. A água aquecida, menos densa, tende a se movimentar em direção ao reservatório de água, o que caracteriza como um ciclo natural de circulação da água, chamado de termossifão (figura 2). Esse processo é contínuo, enquanto houver uma boa irradiação solar ou até quando toda água do circuito atingir a mesma temperatura, ou seja, o equilíbrio térmico (Gabriel Filho et al, 2013).
Figura 2 – Processo de termossifão de um sistema de aquecimento solar
De acordo com Mesa Solar (2013), algumas análises devem ser feitas para garantir o correto funcionamento do sistema em termossifão. A primeira análise considerada é em relação à perda de carga no sistema, pois a força motriz é pequena e deve-se evitar usar tubos de diâmetro muito pequeno e trechos de tubulações longos com curvas e conexões demasiadas. A segunda observação é em relação aos sifões e acúmulo de ar na tubulação, pois além de não poder ter um comprimento equivalente elevado, o termossifão também não pode ter pontos onde ar e vapor de água pode ficar preso, que podem interromper a circulação dentro dos tubos.
Na circulação forçada ou sistema bombeado a circulação ocorre através do acionamento de uma bomba hidráulica, instalada entre o reservatório térmico e os coletores. É um sistema apropriado para médias e grandes instalações, onde é requerida uma manutenção periódica dos sistemas elétricos e do desgaste natural de peças (SOLETROL, 2002).
Este tipo de sistema forçado possui como vantagens em relação ao termossifão o maior rendimento e a versatilidade de instalação. Dessa forma, o reservatório térmico é colocado no ambiente coberto, separado dos coletores, com a quantidade de perdas térmicas reduzidas, inclusive no inverno (THERMOSOLAR, 2013). As desvantagens envolvidas são a necessidade de um espaço no interior da edificação, o custo mais elevado e uso de mais equipamentos. A Figura 3 representa o esquema de instalação em circulação forçada.
Figura 3 – Desenho esquemático de Instalação em circulação forçada.
2. METODOLOGIA
3.1. ÁREA DE ESTUDO
O projeto do aquecedor solar será aplicado em uma residência localizada na Avenida Teresópolis, no Parque Guarus, cidade de Campos dos Goytacazes-RJ. O clima característico é quente e chuvoso no verão; a estação seca é abafada e de céu quase sem nuvens, com ótima incidência solar.
3.2 MATERIAIS E MÉTODOS
A elaboração do protótipo do sistema de aquecimento solar iniciou-se na preparação do coletor solar. O coletor será construído com tubos e conexões marrons de material conhecido como PVC (policloreto de vinila) e posteriormente pintado com tinta de cor preta, a fim de se obter uma maior absorção de calor proveniente da radiação solar. O conjunto de 20 tubos de diâmetro de 20 mm foi embutido nas duas extremidades com os dois tubos de diâmetro 32 mm, de modo que fossem vedados com cola para tubos de PVC, como ilustra a figura 4.
Figura 4: Montagem do coletor (protótipo)
Para quantificar o volume (V) aproximado de água (em litros) que ocupa o coletor solar é utilizado o cálculo de volume através do raio (r) e comprimento (h) dos tubos. Assim, utiliza-se a equação [1]:
Onde:
V é o volume ocupado de água;
r é o raio do tubo analisado;
h é o comprimento do tubo.
Como o coletor é constituído por vinte tubos de diâmetro interno 17 mm, com 1,5 m cada e dois tubos de 32 mm de diâmetro, cada um com 1 m de comprimento, temos:
Para o reservatório de água deverá ser utilizado aquele que evite ao máximo a troca térmica com o meio externo e mantenha o fluido aquecido por mais tempo em seu interior. Para o protótipo foi utilizado o reservatório de Isopor de 40 litros de capacidade. Então, quatro flanges foram instalados no reservatório: um para a boia colocada para controle da entrada de água da rede; um flange para conectar o tubo de entrada de água fria no coletor, localizado quase no fundo da caixa; dois flanges foram utilizados na altura média da caixa, uma para servir como meio de saída de água quente para o chuveiro e o outro ao lado para receber a água aquecida do coletor.
A água quente, por ser mais leve, ficará na parte superior do reservatório, conforme Marques (2006) adaptará um redutor de turbulência junto à boia que vem da água da concessionária. Assim, a água fria oriunda da rede não troca calor direto com o fluido aquecido pelo sistema, e segue em direção ao fundo da caixa.
A tabela 2 foi utilizada para mensurar e registrar com o auxílio do termômetro infravermelho as temperaturas encontradas durante os dias de medições em quatro diferentes momentos do dia.
Tabela 2 – Modelo de tabela de temperatura ao longo dos dias.
Os materiais que serão utilizados para a elaboração do sistema de aquecimento solar estão descritos no quadro 1 com os valores previamente determinados. Porém, vale salientar que estes valores e quantidade de materiais estão sujeitos à alteração de acordo o período no qual será aplicado o projeto.
Quadro 1 – Relação de materiais preliminares para a construção do aquecedor
3.3. LAYOUT DO PROTÓTIPO
Figura 5 – Vista isométrica do aquecedor solar
3.4. PROJETO ATUALIZADO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO
3.4.1. Coletor solar
Após a montagem do protótipo e a ocorrência de vazamentos no coletor, foi necessária a alteração no projeto para superar essas dificuldades. O coletor solar atual foi construído com 20 tubos soldáveis de PVC paralelos de 20 mm de diâmetro externo. Estes foram conectados por meio de “tês” (quarenta unidades ao todo) a outros quatro tubos de mesmo diâmetro nas extremidades. Para essa conexão lateral entre “tês” foram usados pequenos tubos que ficam embutidos e unidos por cola específica. Assim, elimina a ocorrência de vazamentos durante o funcionamento com a circulação de água.
Figura 6 – Vista isométrica do coletor solar
As figuras 6 e 7 representam o desenho construído no SolidWorks do coletor solar atualizado com o uso dos “tês” soldáveis.
Figura 7 – Visão ampliada da montagem do coletor atualizado
A figura 8 ilustra a seção transversal vazada do tubo de PVC, onde foi possível determinar o volume de água necessário para preenchimento dos tubos que compõem o coletor.
Figura 8 – Seção transversal vazada do tubo
Os 20 tubos possuem 1,5 metros de comprimento cada, diâmetro externo e interno, respectivamente, valem 20 mm e 17 mm. Para calcular o volume de cada tubo basta utilizar a área da seção transversal vazada multiplicada pelo comprimento do tubo.
Com a aplicação do cálculo para os vinte tubos, ao todo o volume total para armazenar água é de aproximadamente 0,00681 m3 ou 6,81 litros.
A figura 9, a seguir, caracteriza de forma detalhada as dimensões do coletor atualizado com as vistas do desenho. Dessa forma, percebe-se que o coletor possui 1,5 metros de comprimento e 0,768 metros de largura.
Figura 9 – Desenho de Detalhamento do coletor atualizado
Na figura 10 encontra-se o coletor montado com os tubos de PVC devidamente colados na sua posição adequada.
Figura 10 – Montagem do coletor atual
Com a montagem do coletor finalizada foi realizada a representação do layout do modelo final do sistema de aquecimento solar com a inclusão do reservatório térmico na posição horizontal, conforme a figura 11 a seguir.
Figura 11 – Layout do modelo final
Por meio do software SolidWorks, foi desenhado uma representação do coletor solar e o reservatório de água no local de instalação, ou seja, como se fosse sobre o telhado da residência.
Figura 12 – Layout do coletor no local de instalação.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
No que se refere aos testes realizados no protótipo do sistema de aquecimento solar, foram obtidas as temperaturas na água do reservatório de isopor, conforme a Tabela 3. Dessa forma, a faixa de temperatura verificada oscilou entre 28 e 38° C, com o valor de pico por volta das 15 horas, momento de maior incidência solar. Assim, para fins de teste, o sistema apresentou valores satisfatórios de funcionamento.
Tabela 3 – Medições de temperaturas da água do reservatório do protótipo.
Apesar de ser um sistema de aquecedor de água de pequeno porte, espera-se que o mesmo atinja valores de temperatura bem próximos aos que atendem ao banho morno confortável, entre 28ºC a 36°C. Essa faixa de temperatura da água é ideal para o ser humano, pois aproxima da temperatura corporal. Além disso, mesmo após o anoitecer a água permanecerá aquecida, pois este fluido possui um elevado calor específico, ou seja, é necessário retirar uma grande quantidade de calor para alterar a sua temperatura.
Com a vazão de água média de um chuveiro comum de 3,5 litros por minuto e tempo médio de banho de 10 minutos são consumidos 35 litros de água. Isso quer dizer que cada pessoa utiliza 35 litros de água quente para o banho. Em teoria, um Aquecedor Solar de 35 litros seria o suficiente, mas devido à variação de incidência solar e por nem toda a água do reservatório ficar igualmente aquecida, então é arredondado esse valor para 50 litros por pessoa. Assim, uma família de duas pessoas vai consumir 100 litros de água quente por dia, ou seja, um sistema com um reservatório de no mínimo 100 litros seria o ideal para essa família.
Como um meio alternativo de economia de energia, devido a sua eficiência e custo benefício, espera-se que o projeto propicie para as residências conforto, economia e contribuição para o meio ambiente, já que o mesmo utiliza fonte renovável, a radiação solar, para o aquecimento da água. Além disso, o mesmo também serve como sistema auxiliar do chuveiro elétrico, em dias com pouca incidência solar.
4. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS
É válido destacar que esse tipo de coletor de PVC pode ser construído do tamanho que for necessário, com a alteração do comprimento dos tubos ou se preferir conectar os coletores em série. Isso depende do tamanho disponível no telhado ou cobertura, capital disponível, além da quantidade de pessoas em uma residência, para que a água aqueça mais rápido.
Diante da construção do protótipo, algumas dificuldades foram encontradas ao longo da execução. Cabe citar a ocorrência de vazamentos de água no coletor solar do protótipo, principalmente nos pontos onde os tubos foram embutidos e colados. Como forma de superar o ocorrido, uma alternativa viável adotada foi a utilização de “tês” soldáveis para unir os tubos paralelos com cola entre si.
Por meio da aplicação da Norma Brasileira NBR 15569 (2020), foi possível dimensionar o sistema de aquecimento solar, bem como realizar pesquisas na área de energia solar, conhecendo formas, configurações básicas do sistema e suas restrições.
Como uma forma de proposta futura seria a implementação do sistema de aquecimento em uma residência, com a realização de testes para determinar a eficiência gerada ao longo do seu funcionamento. Para isso, faz-se necessário o uso de um reservatório de maior capacidade, de no mínimo 100 litros, acompanhado de um isolamento térmico que seja economicamente viável e eficiente.
REFERÊNCIAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15569: Sistema de Aquecimento Solar de Água em Circuito Direto – Requisitos de Projeto e Instalação. Rio de Janeiro, 2020.
ABREU, S. L. de. Eficiência energética e uso racional da energia na edificação. Introdução à energia solar. 1. ed. Florianópolis/SC, 2005. 14 p.
BERGMAN, Theodore L. Incropera – Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Grupo GEN, 2019. 9788521636656. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521636656/. Acesso em: 10 mai. 2022.
CARLOS, M. V.; BACELLAR. F. L. B.; GUARALDO, N. J.; BARNABÉ, A. B.; FARIA, F. Sistema para aquecimento solar de água para banho, de baixo custo, aos clientes residentes em comunidades de baixa renda. VI Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica. Projeto de P&D Nº 0390- 021/2009 da AES Eletropaulo, 2011.
CRUZ, Talita Borges. Análise do potencial de inserção de energia solar térmica para aquecimento de água em residências unifamiliares no Brasil. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2016.
ELETROBRAS. Pesquisa de posse e hábitos de uso de equipamentos elétricos na classe residencial. Relatório Técnico, 2019. Eletrobras, Procel, 2019. Disponível em: https://eletrobras.com/pt/AreasdeAtuacao. Acesso em: 5 mai. 2022.
GABRIEL FILHO, L. R. A. et al. Promoção do uso de aquecedor solar de água de baixo custo para a população rural e urbana de baixa renda da região da Alta Paulista. Rev. Ciênc. Ext. v.9, n.3, p.61-71, 2013. Disponível em: <http://ojs.unesp.br/index.php/revista_proex/article/download/511/899>. Acesso em: 20 mar. 2021.
MESA SOLAR. Noções iniciais sobre o aquecimento solar. Disponível em:< http://www.mesasolar.org.uy/archivos/Nocoes.pdf> Acesso em: 14 de maio de 2022.
RÜTHER, R. Energia Solar Fotovoltaica. Florianópolis: UFSC, 2012. (Apostila da disciplina ECV4219)
SOLETROL. Aquecedores solares de água. Manual técnico. São Paulo: 2002. 32 p.
THERMOSOLAR. Sistemas de circulação forçada. Disponível em: <http://www.thermosolar.com.pt/htm/Sistemas.htm > Acesso em: 28 de março de 2022.
TSURUDA, L. K. et al. A importância da energia solar para o desenvolvimento sustentável e social. 6th International Workshop Advances in Cleaner Production. São Paulo, 2017.
VASCONCELLOS, L.E.M.; LIMBERGER, M.A.C. (Org.). Energia Solar para aquecimento de água no Brasil: Contribuições da Eletrobras Procel e Parceiros. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2012.
WOELZ, Augustin T. Aquecedor solar de baixo custo (ASBC): uma alternativa custo- efetiva. Encontro de energia no meio rural, 4., 2002, Campinas. Disponível em:<http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022 002000100019&lng=en&nrm=abn>. Acesso em: 02 Abr. 2021.