USO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO APOIO PARA O DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA ARMAZENAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL USO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COMO APOIO PARA O DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS PARA ARMAZENAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL XI SIMPÓSIO NACIONAL DE SISTEMAS PREDIAIS CURITIBA 17 a 19/06/2009 Prof. Enedir Ghisi, PhD

2 Precipitação pluviométrica diária Curitiba PR (2005 a 2007) Florianópolis SC (2005 a 2007) Precipitação média (mm/ano) de 1961 a 1990 = 1408 mm Precipitação média (mm/ano) de 1961 a 1990 = 1544 mm

3 Precipitação pluviométrica diária Ponta Grossa PR (1970 a 1999) Santos SP (1970 a 1999) Precipitação média (mm/ano) de 1970 a 1999 = 1596 mm Precipitação média (mm/ano) de 1970 a 1999 = 3463 mm

4 Métodos de dimensionamento de reservatórios rios Método de Rippl Neste método, o volume de água que escoa pela superfície de captação é subtraído da demanda de água pluvial em um mesmo intervalo de tempo. A máxima diferença acumulada positiva é o volume do reservatório para 100% de confiança. Éum método de cálculo de volume de armazenamento necessário para garantir uma vazão regularizada constante durante o período mais crítico de estiagem observado.

5 Métodos de dimensionamento de reservatórios rios Método de Rippl Onde: d V rippl = S i= 1 Vrippl = volume do reservatório obtido pelo Método de Ripll (litros); d = número de dias no período analisado (igual ao número de dias da série de precipitações utilizada); S = diferença entre a demanda diária de água pluvial e o volume de água que escoa diariamente pela superfície de captação (litros).

6 Métodos de dimensionamento de reservatórios rios Método de Azevedo Neto Obtém-se o volume do reservatório de água pluvial por meio da equação: Onde: Van = 0,0042 x Pa x A x T Van = volume do reservatório (litros); Pa = precipitação pluviométrica anual média (mm/ano = litros/m² por ano); A = área de captação (m²); T = número de meses de pouca chuva ou seca (adimensional).

7 Métodos de dimensionamento de reservatórios rios Método prático inglês Método empírico apresentado na NBR 15527: 2007 Onde: V = 0,05 x P x A P = precipitação média anual (mm); A = área de coleta em projeção (m²); V = volume de água aproveitável e o volume de água da cisterna (L).

8 Métodos de dimensionamento de reservatórios rios Método prático australiano Onde: Q = (A x C x (P I))/1000 C = coeficiente de escoamento superficial, geralmente 0,8; P = precipitação média mensal (mm); I = interceptação da água que molha as superfícies e perdas por evaporação, geralmente 2 mm; A = área de coleta (m²); Q = volume mensal produzido pela chuva (m³). O cálculo do volume do reservatório é realizado por tentativas, até que sejam utilizados valores otimizados de confiança e volume do reservatório. Onde: Vt = Vt-1 + Qt Dt Qt = volume mensal produzido pela chuva no mês t (m³); Vt = volume de água que está no tanque no fim do mês t (m³); Vt-1 = volume de água que está no tanque no início do mês t (m³); Dt = demanda mensal (m³).

9 Simulação computacional : o programa Netuno Realiza os cálculos diariamente considerando a demanda e a disponibilidade de água pluvial; Dados de entrada: Precipitação pluviométrica diária; Área de captação; Coeficiente de aproveitamento; Demanda diária de água potável per capita; Número de moradores; Percentagem de água potável que pode ser substituída por pluvial; Volume do reservatório de armazenamento;

10 Algoritmo do programa Netuno Volume de água pluvial que escoa pela superfície de captação diariamente Vap = P. A. C Onde: Vap (litros); P A C éo volume diário de água que escoa pela superfície de captação éa precipitação pluviométrica diária (mm); éa área de captação (m²); éo coeficiente de aproveitamento (adimensional).

11 Algoritmo do programa Netuno Volume de água pluvial consumido no período Onde: Vc(t) D(t) Vac(t) (litros); éo volume de água pluvial consumido no período t (litros); éa demanda de água pluvial no período t (litros/dia/pessoa); éo volume diário de água que escoa pela superfície de captação Var(t-1) é o volume de água pluvial do dia anterior disponível no reservatório (litros).

12 Algoritmo do programa Netuno Volume de água pluvial disponível no reservatório no período Onde: Var(t) (litros); Var(t-1) (litros); Vac(t) (litros); Vc(t) Vresinf éo volume de água pluvial disponível no reservatório no período t éo volume de água pluvial do dia anterior disponível no reservatório éo volume diário de água que escoa pela superfície de captação éo volume de água pluvial consumido no período t (litros); éo volume do reservatório inferior (litros).

13 Algoritmo do programa Netuno Potencial de economia de água potável Onde: Epot Vc Dpot (litros); d N é o potencial de economia de água potável (%); é o volume diário de água pluvial consumido (litros); é a demanda diária de água potável para cada morador é a quantidade de dias analisada; é o número n de moradores.

14 Análise comparativa entre métodos m de dimensionameto Estudo comparando os cinco métodos de dimensionamento de reservatórios presentes na NBR 15527:2007 e o algoritmo do programa computacional Netuno; Os métodos analisados foram empregados para determinar o volume de reservatórios de armazenamento de água pluvial para uma série de combinações paramétricas originadas a partir de um caso base no setor residencial; Considerou-se diferentes áreas de captação, número de moradores e demandas de água potável e pluvial.

15 Análise comparativa entre métodos m de dimensionamento Metodologia: Precipitação pluviométrica: dados diários de 30 anos; Cidade: Santos -SP Área de captação ão: duas área foram analisadas: 110,45 e 220,90m²; Demanda de água potável vel: 150 e 300 litros per capita por dia; Demanda de água pluvial: variando de 10 a 100% da demanda de água potável, em intervalos de 10%; Número de moradores: 3 e 6 pessoas.

16 Análise comparativa entre métodos m de dimensionamento Resultados: Variação do volume do reservatório (Santos SP) (a) Consumo de água potável de 150 litros/dia, área captação de 110,45m² e seis moradores. (b) Consumo de água potável de 150 litros/dia, área captação de 220,90m² e seis moradores. Netuno Rippl Australiano Azev. Neto (T=3) Azev. Neto (T=5) Alemão Inglês

17 Análise comparativa entre métodos m de dimensionamento Variação do volume do reservatório (Santos SP) (e) Consumo de água potável de 300 litros/dia, área captação de 110,45m² e seis moradores. (f) Consumo de água potável de 300 litros/dia, área captação de 220,90m² e seis moradores. Netuno Rippl Australiano Azev. Neto (T=3) Azev. Neto (T=5) Alemão Inglês

18 Análise comparativa entre métodos m de dimensionamento Variação do volume do reservatório (Santos SP) Volume do reservatório (1000 litros) R 2 = 0,52 R 2 = 0,57 R 2 = 0,76 R 2 = 0,13 Demanda de água pluvial (% da demanda de água potável) Netuno Rippl Alemão Australiano

19 Comparação entre programa Netuno, YAS e YBS YAS (Yield After Spillage Consumo Depois do Enchimento) Neste método o volume de água pluvial coletado será utilizado somente no dia seguinte. Nos sistemas em que há um reservatório inferior e um superior, isto significa que a água será recalcada para o superior no início do dia seguinte (CHIU; LIAW, 2008). Volume recalcado é a única diferença entre o Netuno e o YAS. No YAS o volume recalcado depende do volume armazenado no reservatório inferior no dia anterior.

20 Comparação entre programa Netuno, YAS e YBS YBS (Yield Before Spillage Consumo Antes do Enchimento) Este método considera que a água é recalcada e consumida enquanto ainda está chovendo ou logo depois da chuva. Como conseqüência disso, dependendo do volume de água precipitado, ao final do dia não haverá folga no reservatório (CHIU; LIAW, 2008). A principal característica do método YBS é que existe a possibilidade de, ao final do dia, o reservatório superior estar cheio, ao contrário dos outros dois métodos, em que há uma folga. Para isso ocorrer, é necessário que a água pluvial seja recalcada duas vezes durante o dia.

21 Comparação entre programa Netuno, YAS e YBS Simulações para diferentes casos Cidade: Florianópolis Parâmetros variados: Área de captação ão: 100, 200, 300 m²; Demanda de água potável: 100, 200, 300 (litros/pessoa por dia); Porcentagem de água potável a ser substituída por pluvial: 30%, 40%, 50%; Número de moradores: 3, 4, 5 pessoas.

22 Comparação entre programa Netuno, YAS e YBS Metodologia: Dados de entrada das simulações Dados Baixa demanda Alta demanda Área de captação (m²) Demanda de águapotável (litros/pessoa/dia) Número de moradores 3 5 Porcentagem de água potável a ser substituída por água pluvial Coeficiente de aproveitamento 0,8 0,8 Volume do reservatório superior (litros)

23 Comparação entre programa Netuno, YAS e YBS Resultados: Volume ideal para o reservatório inferior e potenciais de economia de água potável Baixa demanda Alta demanda Método Volume ideal para o reservatório inferior (litros) Potencial de economia (%) Netuno ,67 YAS ,53 YBS ,78 Método Volume ideal para o reservatório inferior (litros) Potencial de economia (%) Netuno ,78 YAS ,49 YBS ,53

24 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Estudo baseado em simulações computacionais para estimar o potencial de economia de água potável com os dados obtidos em uma residência experimental localizada em Florianópolis, denominada Casa Eficiente. Fachada leste da Casa Eficiente

25 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno A Casa Eficiente possui sistemas independentes para aproveitamento da água pluvial e reúso de águas cinzas (irrigação). Esquema do sistema de aproveitamento de água pluvial

26 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Metodologia: Instrumentação do sistema de aproveitamento de água pluvial hidrômetros: medir o consumo de água (potável e pluvial) e o volume recalcado de água pluvial; transmissor de nível hidrostático: medir a variação do nível de água no reservatório inferior de água pluvial; estação meteorológica: registro da precipitação pluviométrica. Armazenamento dos dados coletados: Sistema de medição individualizada e Data-loggers.

27 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Metodologia: Potencial de economia de água potável (P e ) Relação entre o volume total de água pluvial consumido e a demanda total de água potável durante o período analisado. Ł Volume consumido de água pluvial Ł Demanda total de água potável Onde: P e éo potencial de economia de água potável estimado (%); D éa demanda de água potável (litros per capita); n éo número de moradores da residência; j éo número de horas ou dias no período analisado; V c é o volume de água pluvial consumido em cada hora ou dia (litros);

28 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Resultados: Potencial de economia de água potável Avaliação para demandas médias de água potável e pluvial Período 1 - Diário Período 1 - Horário Potencial de economia de água potável (%) Potencial de economia de água potável (%) Semana Semana Netuno - Cpe Netuno modificado - Cpe Netuno - Cpm Netuno modificado - Cpm Economia efetiva Netuno - Cpe Netuno modificado - Cpe Netuno - Cpm Netuno modificado - Cpm Economia efetiva

29 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Resultados: Potencial de economia de água potável Máxima diferença acumulada entre os potenciais de economia estimados pelos algoritmos e a economias de água potável efetivas, na última semana de cada período monitorado. Período 1 Algoritmo Netuno modificado Intervalo de Tempo Coeficiente de aproveitamento Economia total de água potável (%) Diferença absoluta (%) Diário Estimado 73,9 1,4 2 Ambos Horário Médio 48,7 4,5 3 Netuno Ambos Estimado 76,2 5,2 4 Netuno Horário Estimado 56,8 12,2 4 Netuno Diário Médio 56,8 6,7

30 Validação do algoritmo do programa computacional Netuno Conclusões gerais Dados horários não aumentam a precisão das estimativas do potencial de economia. Os algoritmos do programa Netuno predizem adequamente o potencial de economia de água potável obtido através do aproveitamento de água pluvial em edificações ões.

31 Programa Netuno Tela inicial do programa Existe a opção de se definir a demanda de água potável como variável

32 Programa Netuno Planilha de dados referentes à simulação

33 Programa Netuno Simulação de vários reservatórios e janela de propriedades

34 Programa Netuno Janela principal para análise econômica e faixas de cobrança de água

35 Programa Netuno Janela de entrada dos custos da(s) motobomba(s) Janela de entrada dos custos do reservatório inferior, superior e mão-de-obra

36 Colaboração: Ana Kelly Marinoski Marcelo Marcel Cordova Vinicius Luis Rocha