ENCONTRO LATINOAMERICANO DE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS

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1 ENCONTRO LATINOAMERICANO DE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA DESCARGA SANITÁRIA - CAIXA SOBRELEVADA Marcos Rogério Széliga 1 Resumo Os dispositivos tradicionais de descarga para bacias sanitárias consistem em válvulas de descarga, caixas suspensas ou caixas acopladas. As válvulas de descarga apresentam um funcionamento eficiente em termos de esgotamento e limpeza do sifão além do aspecto estético aceitável, porém podem apresentar consumo excessivo de água e custo elevado. As caixas suspensas apresentam eficiência de funcionamento e economia na instalação e no consumo de água, entretanto possuem pouca aceitação com relação aos padrões estéticos e seu acionamento. A caixa acoplada alia baixo custo de instalação e consumo restrito de água. Todavia a caixa acoplada apresenta deficiência energética. O Sistema de Descarga com Caixa Sobrelevada utiliza uma caixa de descarga, posicionada fora do ambiente do sanitário, e com altura suficiente para promover a energia para um esgotamento eficiente por gravidade. Em residências, este reservatório estará sobre a laje de teto e nos edifícios será posicionada sobre o forro de rebaixamento dos sanitários. O acionamento é automatizado e se dá por um sistema eletromagnético para tração do obturador do dispositivo de saída da caixa sobrelevada usando uma botoeira e display, para informações de estado, instalados em caixa embutida na alvenaria. Com possibilidade de acionamento instantâneo que provoca a descarga reduzida para substituição do líquido no sifão ou acionamento total para descarga completa, proporciona-se economia no consumo e comodidade na utilização. Promove-se a preservação da energia potencial e disponibilização de energia cinética no momento oportuno, promovendo melhor eficiência no esgotamento com a utilização de 6 litros de água. No ambiente do sanitário tem-se a bacia convencional e painel de comando embutido na parede. Palavras-chave: Descarga sanitária automatizada; Caixa sobrelevada; Dispositivo de racionalização de consumo; Eficiência energética. Abstract ENERGY EFFICIENCY IN WC DISCHARGE - ELEVATED CISTERN. Traditional devices for toilet discharge consist of flush valves, WC with close coupled cistern and WC with high level cistern. In addition to the acceptable aesthetic aspect, flush valves have an efficient operation and cleaning of the siphon drain, but may present excessive water consumption and high cost. The WC with high level cistern presents good efficiency and savings in installation and water consumption, however have low acceptance with respect to aesthetic standards and driving. Close coupled WC allies low installation cost and restricted consumption of water, however presents energy deficiency. The Discharge System with Elevated Cistern uses a reservoir positioned outside of the toilet compartment and in a level enough to promote energy for efficient discharge by gravity. In houses this reservoir will be on the roof and in the apartments it will be positioned on the lining of sanitary. The drive is automated and occurs by an electromagnetic system to pull the plug on the output device of the cistern using a pushbutton and display for status information, installed in recessed box into the wall. With the possibility of fast turn-on for reduced discharge which causes only a substitution of liquid in the siphon or total turn-on for complete discharge, there is consumption economy and rationality of use. The system promotes preservation of available potential energy and kinetic energy in a timely manner, providing better efficiency in the discharge with the use of 6 liters of water. The toilet has the conventional WC and the control panel built into the wall. Key-words: Automated WC discharge; Elevated Cistern; Rationalization of consumption, Energy efficiency professor no PPGESA - UEPG. marcosrs@uepg.br ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 1

2 1 INTRODUÇÃO Um componente que contribui substancialmente para o consumo de água nas instalações hidráulicas prediais é a descarga da bacia sanitária. Os sistemas usuais incluem a instalação de válvulas de descarga, de caixas suspensas ou caixas acopladas. As válvulas de descarga apresentam um funcionamento eficiente em termos de esgotamento e remoção de dejetos além do aspecto estético aceitável. Entretanto, as válvulas podem apresentar, em função da atitude do usuário, consumo excessivo de água, bem como, custo elevado de instalação devido à utilização de tubulações e registros de maior diâmetro. As caixas suspensas apresentam eficiência de funcionamento, economia na instalação e no consumo de água, porém seu uso fica restrito às edificações comerciais, populares de baixo custo ou provisórias em função da pouca aceitação com relação aos padrões estéticos e seu acionamento rústico. A instalação da caixa acoplada vem sendo uma alternativa para aliar o baixo custo de instalação com a utilização de tubulações de diâmetro reduzido, o consumo restrito de água e a estética. Todavia, além de utilizar um maior espaço do banheiro em função do volume ocupado na parte posterior da bacia sanitária, a caixa acoplada tem sua eficiência reduzida devida ao pequeno desnível entre a caixa e o fecho hídrico na bacia. Não é rara, neste sistema, a necessidade de repetição do processo de esgotamento para uma limpeza efetiva do sifão, o que implica no comprometimento do item de economia no consumo de água. Também, em alguns casos, são identificados vazamentos contínuos de baixa visibilidade nas situações em que o reparo da válvula de bloqueio encontrase desgastado pelo uso. A pequena pressão disponível acarreta vazamentos praticamente imperceptíveis, porém ininterruptos, resultando em desperdício de água. Pode-se comprovar a baixa eficiência deste sistema, especialmente com o uso normalizado de 6 litros por descarga, através de ensaios comparativos, cujos resultados são apresentados neste trabalho. A Descarga com Caixa Sobrelevada é um sistema que reúne as características de eficiência, estética, economia na instalação e consumo de água, sem as deficiências inerentes a cada um dos dispositivos apresentados acima. Este sistema utiliza um reservatório (caixa sobrelevada), com capacidade de seis litros, para controle de volume de descarga, posicionado fora do ambiente do sanitário e com altura suficiente para promover a energia necessária para um esgotamento mais eficiente. A energia potencial pré-existente é preservada, essa energia proporciona durante o processo de esgotamento maior velocidade aos jatos de água na transferência de quantidade de movimento, resultando numa limpeza efetiva do sifão. Nas instalações das casas térreas ou com mais pavimentos, este reservatório pode estar sobre a laje de teto. Nos edifícios de apartamentos ou escritórios o reservatório pode ser posicionado sobre o forro de rebaixamento dos sanitários. O acionamento da descarga se dá por um sistema eletromagnético usando uma botoeira de toque suave e um led de indicação de estado. Há possibilidade de diferentes formas de operação da descarga. O esgotamento padrão é obtido com um acionamento da botoeira por mais de um segundo. Neste esgotamento, utilizando 6 litros, a descarga promoverá a limpeza total da bacia sanitária. Um toque rápido na botoeira inferior a um segundo promove o esgotamento reduzido. Neste caso, a descarga utilizando um volume inferior a 3 litros, deverá proporcionar apenas a substituição do líquido contido no sifão da bacia sanitária. As formas de operação ocorrem através da configuração do obturador da válvula de saída da caixa sobrelevada. Este obturador retorna naturalmente à sua posição de bloqueio caso não seja mecanicamente sustentado por um tempo adequado. Com sustentação mecânica, após este tempo, o obturador passa a flutuar e a descarga ocorre de forma completa. As informações da situação de descarga e volume no reservatório serão prestadas via display. Este display utilizará um led de sinalização indicando as situações de recarga, uso ou prontidão para novo esgotamento. A sinalização é condicionada à posição de um interruptor de nível que depende do nível da água no interior da caixa sobrelevada. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 2

3 2 PESQUISA DE BASE A pesquisa de base deste sistema consistiu em montar uma bancada experimental para testar a preservação da energia disponível e comparar rendimentos com outros sistemas. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de rendimentos com os quais foi possível comparar resultados entre as descargas proporcionadas pelo sistema com caixa sobrelevada e pelo sistema com caixa acoplada. Os ensaios realizados consistiram na variação dos volumes de água para esgotamento (6,0 e 8,0 litros), bem como, na variação das massas (50 a 350 gramas) de grânulos de PVC depositados no sifão da bacia sanitária para testes de remoção em ambos os sistemas de descarga. Após o acionamento da descarga a massa remanescente no sifão foi medida e relacionada com a massa inicial para se obter o rendimento da operação. Com as Figuras 1, 2 e 3 mostramse gráficos com resultados comparativos. Rendimento % Massa depositada X Rendimento Volume de 6 litros Volume de 8 litros Massa - gramas Figura 1 Gráfico de rendimento comparativo entre utilização de 6,0 e 8,0 litros para volume de descarga com utilização de caixa acoplada. Uma comparação entre os dois sistemas com utilização do volume de 6,0 litros (situação de menor consumo e preconizada na Norma Brasileira), o sistema com caixa acoplada apresentou um rendimento médio de 77,2%, enquanto que no sistema com caixa sobrelevada obteve-se 98,0% de eficiência, o que caracteriza a superioridade deste último na remoção da massa. Verifica-se, através dos resultados apresentados na Figura 1 que o sistema de caixa acoplada requer um maior volume de descarga (8,0 litros) para atingir níveis mais adequados para esgotamento. Através dos resultados da Figura 2 observa-se que não é necessário o aumento do volume de descarga com utilização da caixa sobrelevada (Szeliga et al.,2006 e Szeliga et al.,2007). Com a Figura 3 pode-se comparar os resultados de cada sistema com a utilização de seis litros de água para a descarga sanitária. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 3

4 Rendimento % Volume de 6 litros Massa depositada X Rendimento Volume de 8 litros Massa - gramas Figura 2 Gráfico de rendimento comparativo entre utilização de 6,0 e 8,0 litros para volume de descarga na caixa sobrelevada. Rendimento % Caixa Sobrelevada Massa depositada X Rendimento Caixa Acoplada Massa - gramas Figura 3 Gráfico de rendimento comparativo entre a caixa sobrelevada e a caixa acoplada para a utilização de 6,0 litros como volume de descarga. Após a pesquisa de base desenvolveu-se um protótipo experimental. O protótipo corresponde a uma instalação completa de um sanitário residencial com do Sistema de Descarga com Caixa Sobrelevada. (Szeliga et al., 2011). ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 4

5 3 PROTÓTIPO EXPERIMENTAL O protótipo experimental, montado numa bancada funcional que contém as instalações e componentes de um banheiro comum de apartamento, foi idealizado para demonstrar a funcionalidade do sistema e proporcionar uma visão geral e específica de suas características. As Figuras 4, 5 e 6 contêm fotos do protótipo experimental montado em laboratório numa bancada com piso e parede de fundo transparentes. Nesta bancada as instalações aparentes proporcionam o entendimento das ligações e o funcionamento do sistema que é por recirculação da água num circuito acionado por moto-bomba. Figura 4 Vista geral da bancada para o protótipo experimental. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 5

6 Figura 5 Vista em detalhe da caixa sobrelevada. Figura 6 Vista inferior da caixa sobrelevada. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 6

7 Para melhor especificar estas características a Figura 7 contém os esquemas da instalação onde estão discriminados os componentes. A caixa sobrelevada (10) é posicionada entre a laje de teto (1) e o forro do ambiente (7). A caixa é suspensa no teto através de um quadro metálico ou de plástico de engenharia chumbado na laje e com conectores para encaixe deslizante. A alimentação de energia (2) utiliza uma caixa de embutir 2 x 4 (11), acima da linha do forro, onde será conectada a tomada específica dos dispositivos da caixa sobrelevada com distribuição da fiação entre o solenóide de tração (3), o interruptor de nível (9), o quadro de comando e display (15) e o aterramento. O solenóide de tração é acoplado a uma alavanca com pivô (4) que mantém o núcleo do solenóide em posição suspensa pela ação de uma mola concêntrica com o pivô. O acionamento do solenóide traciona o núcleo e gira a alavanca que suspende o obturador da válvula de bloqueio (6). O pressionamento breve do botão de impulso no quadro do comando (15) acarretará o acionamento e o retorno da alavanca a sua posição inicial, abrindo e fechando o obturador da válvula de bloqueio com uma descarga da ordem de 2,5 litros promovendo a substituição do líquido contido no sifão da bacia (16). Mantendo-se o botão de acionamento pressionado o obturador permanecerá aberto ocorrendo a descarga total de seis litros. A caixa sobrelevada é equipada com torneira-bóia (5) padrão, regulada para o nível que ocasione um volume útil de seis litros para a descarga, ou regulador de nível com alimentação pelo fundo. A altura total do compartimento da caixa sobrelevada (10) não é superior a 18 cm. A tubulação de descarga com 40 mm de diâmetro será acoplada na base da caixa com utilização de bolsa roscável ou junta de engate rápido para desconexão em casos de manutenção. A mesma facilidade de acoplamento é utilizada na tubulação de alimentação de água (8). Um interruptor de nível (9) com contato normalmente aberto é ser utilizado para acionamento de um led no painel de comando (15) indicando o estado de prontidão para descarga (apagado) ou situação de recarga do reservatório (aceso). O forro de rebaixamento do teto que normalmente é instalado nos sanitários, deverá ter um alçapão (7) para efeito de acesso e remoção da caixa sobrelevada em casos de manutenção. A tubulação de descarga (13) de PVC com 40 mm de diâmetro deverá ter uma prumada no eixo da bacia sanitária convencional (16). O conduíte (14) para as interligações elétricas deverá ser instalado no mesmo eixo da bacia sanitária, embutido na parede de alvenaria e com conexão com uma caixa 2 x4 a uma altura de 1,0 m do piso onde será instalado o painel de comando (15) que é composto pelo espelho, botão de acionamento tipo impulso, contato normalmente aberto (NA) e o led de sinalização para indicação do nível d água no reservatório controlado pelo interruptor de nível (9). A bacia sanitária (16) deverá ser convencional, projetada para esgotamento com 6 litros e tubulação de saída (17) de 100 mm. Para o caso de instalações em residências térreas ou com mais pavimentos a instalação do sistema poderá ocorrer com a caixa sobrelevada posicionada sobre a laje de cobertura da residência, com tubulação de alimentação de 20 mm e tubulação de descarga de 40 mm. Na necessidade de acionamento da caixa sobrelevada durante um período com falta de energia elétrica um cordão conectado à base do solenoide de tração poderá ser puxado manualmente. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 7

8 Figura 7 - Esquema de montagem da descarga sobrelevada. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 8

9 DISCUSSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS No modelo de base utilizado para ensaios em laboratório verificou-se que este sistema possui melhor eficiência no esgotamento sanitário do que os sistemas atuais, considerando a aplicação normalizada com uso de 6 litros de água para a descarga sanitária (SZELIGA et al., 2007). A energia potencial hidráulica é conservada devido ao desnível entre a caixa sobrelevada e o fecho hídrico da bacia sanitária. Esta energia potencial disponibiliza a energia cinética empregada na transferência de quantidade de movimento nos jatos da descarga no sifão da bacia melhorando o rendimento do processo. Dessa forma conclui-se que o dispositivo contribui para economia de água, evitando repetições de operações. O sistema também proporciona economia de instalação utilizando tubulações e dispositivos de baixo calibre. Considera-se, ainda, que a descarga é um ponto importante de consumo de água em instalações prediais e sua racionalização contribui para o melhor aproveitamento dos recursos naturais. O protótipo reproduz em laboratório uma instalação convencional residencial plenamente funcional e com características finais de utilização. Agradecimentos Agradecimentos à Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná e ao CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo apoio à pesquisa. REFERÊNCIAS ABNT. NBR Verificação de desempenho - Caixa de Descarga ABNT. NBR Caixa de Descarga ABNT. NBR Verificação de desempenho -Válvula de Descarga BACIA ECOLÓGICA. Disponível em SZÉLIGA, M. R.; SOUZA, A. M., ANDRADE FILHO, A.G. Sistema de Descarga com Caixa Sobrelevada - Verificação de Rendimento da Caixa Acoplada. In: XV EAIC - UEPG Sistema de Descarga com Caixa Sobrelevada - Verificação de Rendimento da Caixa Sobrelevada. In: VII Encontro Anual de Pesquisa da UEPG SZÉLIGA, M. R., MARIAN, M. A. S.;. Descarga Sobrelevada - Protótipo Executivo. In: XX EAIC. UEPG, SZÉLIGA, M. R. Descarga Sanitária Sobrelevada. In: INOVATEC PARANÁ 2011 ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 9