COLETORES SOLARES ALTERNATIVOS: TECNOLOGIA DE BAIXO CUSTO QUE CONTRIBUI PARA A REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 COLETORES SOLARES ALTERNATIVOS: TECNOLOGIA DE BAIXO CUSTO QUE CONTRIBUI PARA A REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA FABIANA KARLA DE O. M. VARELLA* FKV@FEM.UNICAMP.BR JANE TASSINARI FANTINELLI** JANE@FEM.UNICAMP.BR JOSÉ TOMAZ V. PEREIRA*** TOMAZ@UNICAMP.BR PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS, FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. * MESTRANDA **DOUTORANDA *** PROF. DR. TITULAR 1. RESUMO Apontar os coletores solares de baixo custo como sendo uma alternativa de obter-se água quente, significa uma tentativa de minimização da dependência do sistema de aquecimento de água tradicional (chuveiro elétrico). Através de soluções tecnológicas de baixo custo, o estudo aborda a possível substituição do chuveiro elétrico pelo sistema solar de aquecimento de água alternativo, que além de proporcionar conforto ao consumidor, ajuda o país a reduzir o consumo de energia elétrica principalmente no horário de ponta, fato que se constitui em uma das maiores preocupações das concessionárias do setor elétrico. Como a maior porcentagem da população brasileira é constituída por consumidores de baixa renda e o custo inicial para a aquisição de coletores solares convencionais tornase inviável para muitas famílias, este estudo trata de um coletor solar realizado por autoconstrução. O trabalho enfoca a estimativa do consumo e dos custos de energia elétrica entre o chuveiro elétrico e o sistema de aquecimento solar alternativo para o período de um ano, verificando-se um resultado atrativo e satisfatório, com menor demanda de eletricidade com o uso do sistema alternativo. 2. ABSTRACT The solar collectors of low cost represent an alternative way to get hot water. As a result, the dependence from the traditional water heating system (electric shower) is minimized. Through technological solutions of low cost, this work approaches the possible substitution of the electric shower for the solar alternative water heating system. The alternative technological solutions of low cost provide comfort to consumers and help the country to reduce electric energy consumption in the tip schedule. Such fact constitutes one of the biggest concerns of the electric sector concessionaires. Based on the fact that the biggest percentage of the Brazilian population is constituted by low-income consumers and the initial cost for the acquisition of conventional solar collectors becomes impracticable for many families, the purpose of this work is to study the solar collector constructed by home building. The work focuses in consumption and costs estimations of electric energy comparing the electric shower vis-à-vis the alternative solar heating system in a period of one year. As a result, there was

2 verified that the use of alternative solar heating system promotes lesser demand of electricity at the lowest cost. 3. INTRODUÇÃO Um item de conforto primordial para os brasileiros (particularmente nas regiões sul e sudeste) é a disponibilidade de água aquecida para banho. Normalmente os banhos são tomados no horário de maior utilização do sistema elétrico, entre 18:00h e 21:00h (horário de pico). O setor residencial destaca-se como o segundo maior consumidor de energia elétrica do país, respondendo por 24% 1 do consumo total de energia elétrica. No horário de pico o consumo do setor residencial passa para 34% 2. Setor Industrial 45% Consumo de energia elétrica no Brasil 2001 Setor Residencial 24% Setor Comercial 14% Outros 4% Setor Público e Rural 13% Fonte: BEN, Dentro deste setor, tem-se uma participação média de 33% do consumo total atribuído ao aquecimento de água (ver gráfico abaixo). O chuveiro elétrico está presente em 97% das residências Brasileiras e é um dos principais responsáveis pelo pico do consumo existente no setor residencial. Participação dos eletrodomésticos no consumo residencial de eletricidade Iluminação 26% Chuveiro 33% Som 1% TV 4% Ferro elétrico 5% Máquina de lavar 4% Geladeira 27% Fonte: Procel, BEN, CPFL, 2000.

3 Nos últimos anos verificou-se um aumento contínuo da potência dos chuveiros elétricos, passando de 3kW, em média, para 4,4 a 6,5kW. Os programas de conservação de energia para o segmento residencial estabelecem que é necessária uma redução nas potências dos chuveiros elétricos, pois desta forma se reduziria um pouco o efeito dos mesmos no horário de pico (Procel,1999). No entanto, os consumidores requerem equipamentos de maiores potências, para o uso de maior quantidade de água aquecida. No Brasil têm sido poucos os estímulos ao uso dos coletores solares para aquecimento de água residencial. Porém, as crescentes exigências quanto à preservação ambiental e a necessidade de reduzir a dependência energética, faz com que as energias alternativas venham despertando grande interesse. O potencial brasileiro de conservação de energia no aquecimento de água é bastante significativo, apontando os aquecedores solares como uma saída extremamente viável e competitiva. 4. CHUVEIRO ELÉTRICO E TECNOLOGIAS DE BAIXO CUSTO O chuveiro elétrico foi considerado o grande democratizador do banho de água quente no Brasil, possibilitando aos cidadãos brasileiros, mesmo aos mais carentes, melhoria nas condições diárias de qualidade de vida (Woelz, 1999). Como o chuveiro elétrico tem um custo de aquisição muito baixo e é de fácil instalação para o consumidor, os mesmos acabam adquirindo este sistema de aquecimento de água. Em contrapartida sua elevada potência e seu horário de utilização penaliza acentuadamente o sistema elétrico. O consumo de eletricidade vem evoluindo no setor residencial, o que evidencia a demanda crescente por este tipo de energia. No Balanço Energético Nacional (2002) estes resultados ficam evidentes (ver gráfico 1). O setor residencial tem enfrentado nos últimos tempos um crescimento médio de 6% ao ano no consumo de energia, com uma queda em 2001 devido ao racionamento imposto ao país. O gráfico abaixo mostra nitidamente a demanda por eletricidade no setor residencial ao longo dos anos. A estimativa é que novamente a curva de demanda volte a crescer.

4 Gráfico 1 Consumo de Energia Elétrica* no Setor Residencial Fonte: BEN, * Unidade: 10 3 tep O aquecimento solar de água destaca-se como uma das alternativas para redução da demanda no horário de ponta, devido ao seu potencial na substituição da energia elétrica como fonte de aquecimento de água. A demanda máxima do chuveiro elétrico ocorre justamente no horário de pico do sistema, e as alternativas possíveis para redução de sua influência na ponta seria entre outras, a mudança do sistema de aquecimento de água do chuveiro e a mudança de hábitos do consumidor, transferindo os banhos para outros horários fora do pico (Procel, 1989). O Brasil possui hoje uma área instalada de 2 milhões m² de coletores solares e um mercado que vem se expandindo. Cerca de 200 mil m² de coletores solares são instalados por ano (Procel, 1999). Existe para venda no mercado vários tipos de coletores solares planos. Estes coletores são constituídos de uma superfície negra absorvedora de calor, de uma malha ou serpentina de tubos de cobre em contato com esta superfície e de uma caixa com isolamento térmico (o isolante freqüentemente utilizado é lã de vidro) inferior e lateral. Possui ainda uma cobertura transparente superior, geralmente de vidro (Borges, 2000). As placas planas, usualmente fabricadas no Brasil, constituem-se de uma superfície absorvedora feita de chapas de alumínio ou cobre, com uma malha de tubos de cobre. A necessidade de soluções adequadas à realidade da pobreza faz com que se busque uma tecnologia solar para aquecimento de água, que possa atender a população com recursos financeiros limitados. Apesar de pouco difundidas e ainda restritas a experiências isoladas, as tecnologias de baixo custo para aquecimento de água residencial aliam baixos investimentos e eficiência térmica. O aproveitamento de materiais recicláveis, embalagens de bebidas (plásticas e de alumínio) para a melhoria do desempenho do coletor foi considerada pelos pesquisadores Pereira e Fantinelli (2002) como uma alternativa viável.

5 5. COLETOR SOLAR DE CONCRETO COM MATERIAIS ALTERNATIVOS A análise de referências das investigações dos autores Nayak et al. (1989); Bopshetty et al. (1992); Sokolow et al. (1992), Jubrans et al. (1994), Chaurasia (1999) e Borges (2000) mostra que os coletores solares de concreto possuem bom desempenho térmico para a utilização de água, com temperaturas médias de 38ºC. Nestes coletores a placa coletora constitui-se por uma rede de tubos de PVC soldáveis inserida no concreto. No sistema de aquecimento solar de água com materiais alternativos, a placa de absorção da radiação solar é constituída por concreto, tubos de PVC, aletas de alumínio (embalagens de bebida em alumínio) e isopor. O reservatório da água aquecida é feito em caixa de fibro-cimento. Esquema do sistema de aquecimento de água com coletor solar de concreto com materiais alternativos Reservatório térmico com isolamento alternativo Reservatório de água fria Tubo PVC ¾ Água fria Água fria Tubo PVC 15,45 graus Placa coletora de concreto Chuveiro Pia da cozinha Fonte: Fantinelli, DESCRIÇÃO DO SISTEMA ALTERNATIVO DE CONCRETO A placa absorvedora de radiação solar é formada por uma rede de tubos de PVC soldáveis por onde circula a água a ser aquecida. Esta placa é construída sobre uma laje de concreto 3 que têm função estrutural para a mesma. Os tubos são dotados com aletas de alumínio que são fabricadas a partir de sucatas de recipientes de alumínio de refrigerantes e cervejas. Após concretagem da placa, sua superfície é pintada com tinta preta fosca. 3 A placa é concretada na laje já existente, com uma espessura de 4 cm.

6 Detalhe das aletas na rede de tubos de PVC e início da concretagem do coletor, construído em uma residência, na cidade de Campinas/SP, em Fonte: Fantinelli, O reservatório térmico é uma caixa com capacidade para 500 litros. O isolamento é feito com isopor e folhas de jornal, com um espaçamento de 5 cm da face do reservatório. A circulação da água ocorre de forma natural, em regime de termosifão. 7. DESEMPENHO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA DE CONCRETO O coletor do estudo teve seu desempenho mensurado através da medição das temperaturas de água do reservatório, da água utilizada para banho e a satisfação do usuário (Fantinelli, 2002). Pesquisas desenvolvidas por Borges (2000), mostram que o desempenho da placa coletora de concreto é muito próximo ao da placa convencional, principalmente quando o objetivo é obter-se temperaturas moderadas (38ºC), atendendo as necessidades básicas de água quente para banho. A tabela abaixo ilustra alguns resultados obtidos nas medições realizadas, em fevereiro de 2002, em dois horários de consumo do chuveiro, 18 e 20 horas. Temperatura da Água (ºC) Data Fevereiro 2002 Tempo Chuveiro* (18 horas) Chuveiro* (20 horas) água do chuveiro ambiente água do chuveiro ambiente 04/ fev ensolarado / fev ensolarado / fev ensolarado/ nublado * Água aquecida pelo sistema de aquecimento de água alternativo. Fonte: Fantinelli, Os gráficos 2 e 3 mostram a variação da temperatura da água no reservatório térmico durante as 24 horas dos dias 05 de fevereiro e 05 de março de As medidas foram realizadas em três pontos do reservatório: topo, meio e fundo.

7 Temperatura da água dentro do reservatório térmico 5/fevereiro/ h 12h 14h 16h 18h 20h Fundo Meio Topo 7h (dia seguinte) Temperatura da água dentro do reservatório térmico 05/março/ h 12h 14h 16h 18h 20h Topo Meio Fundo 7h (dia seguinte) Fonte: Fantinelli, Os gráficos evidenciam que o isolamento alternativo aplicado ao reservatório manteve temperaturas desejadas, pois o pico da temperatura foi em torno das 16 horas e depois deste horário a temperatura baixou, mas mesmo assim conservou temperaturas altas para banho, inclusive às 7:00 horas da manhã do dia seguinte. 8. CUSTOS DO SISTEMA DESENVOLVIDO A composição de custos do sistema de aquecimento solar de água com coletor de concreto foi elaborada para uma placa de 12,5 m 2 (aproveitando área total de uma varanda existente na moradia, já construída, de 5,10m x 2,45m). O forro do coletor é a laje de concreto pré-moldada, com inclinação de 15,30ºC, posicionada na direção do norte geográfico. A tabela a seguir apresenta o resumo de custos com o sistema de aquecimento proposto.

8 Sistema R$ R$ Coletor solar de concreto (12,50 m 2 ) 307,97 Ligação do coletor no reservatório térmico e saída da água quente 89,00 Caixa d'água (térmica) 500 litros 129,00 Sub Total 525,97 Ligações hidráulicas do reservatório térmico no chuveiro 80,00 Sub Total 605,97 Mão de obra Instalação hidráulica 150,00 Produção de aletas 125,00 Concretagem 100,00 Sub Total 375,00 Total 980,97 Fonte: Fantinelli, 2002 As ligações hidráulicas do sistema de aquecimento na moradia não costumam ser incluídas nos preços das tecnologias pesquisadas, porém aqui foram incluídas porque as tubulações de CPVC utilizadas possuem um valor que deve ser considerado, pois ocasionam alterações no valor final do preço do sistema. O custo da mão de obra também foi incluído, para se ter um parâmetro de comparação com as demais alternativas tecnológicas (Fantinelli, 2002). O objetivo do desenvolvimento de um coletor realizado por autoconstrução foi o de propiciar que as comunidades de baixa renda fossem treinadas para construírem o seu próprio coletor alternativo de concreto solar. Desta forma, na tabela acima, o valor com as despesas de mão de obra podem ser desconsideradas, assim o custo do sistema cai para R$ 525,97 (para uma placa de concreto de área 12,50 m 2 ). O custo por metro quadrado do coletor solar de concreto alternativo estudado foi de R$ 43,00 4. O custo do modelo proposto sem incluir a mão de obra ficou quatro vezes menor que o preço do coletor convencional mais barato 8, com a capacidade também de 500 litros. Retirando a mão de obra o custo fica mais de duas vezes menor (Fantinelli, 2002). 9. ESTIMATIVA DO CONSUMO DE ENERGIA E COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS O consumo estimado de energia elétrica do coletor alternativo de concreto foi realizado, através da elaboração de tabelas e gráficos do histórico do consumo mensal dos anos de 2001 e Ano de sem usar o aquecimento solar de água alternativo - Ano de usando o aquecimento solar alternativo. Os dados abaixo foram retirados das contas do consumo de energia elétrica da residência do usuário onde o sistema de aquecimento de água com coletor solar de concreto foi construído. 4 Este valor é para uma rede de tubos com espaçamento entre tubos de PVC soldáveis de 40 mm e aletas de alumínio cobrindo 70% desta rede de PVC (Fantinelli, 2002). 8 Preço de R$ 2190,00 (Fantinelli, 2002) encontrado na cidade de Campinas/SP em dezembro de 2001.

9 Tabela 1: Histórico do consumo de energia elétrica no ano de 2001/ sem aquecimento solar. Mês/ Ano Número de dias Consumo (kwh) Preço da tarifa Custo mensal (R$) 01/ , ,77 02/ , ,47 03/ , ,16 04/ , ,54 05/ , ,23 06/ , ,32 07/ , ,87 08/ , ,77 09/ , ,11 10/ , ,64 11/ , ,31 12/ , ,33 Total ,52 Tabela 2: Histórico do consumo de energia elétrica no ano de 2002/ com aquecimento solar. Mês/ Ano Número de dias Consumo (kwh) Preço da tarifa Custo mensal (R$) 01/ , ,95 02/ , ,94 03/ , ,11 04/ , ,93 05/ , ,62 06/ , ,62 07/ , ,87 08/ , ,11 09/ , ,36 10/ , ,80 11/ , ,32 12/ , ,90 Total ,53 A partir do mês de maio de 2001, os moradores da residência onde foi aplicado o sistema de aquecimento de água alternativo, iniciaram o racionamento de energia. Houve uma substituição de 90% das lâmpadas incandescentes por lâmpadas compactas, reduzindo o consumo de energia elétrica, como mostra a tabela 1. Mesmo com a mudança de comportamento dos usuários, fazendo racionamento de energia principalmente da iluminação, o consumo de energia elétrica teve uma redução significativa do ano de 2001 para o ano de Esta redução foi motivada devido à substituição do chuveiro elétrico pelo sistema de aquecimento solar de água alternativo.

10 Consumo de energia elétrica da residência do estudo kwh jan fev março abril maio jun jul ago set out nov dez O gráfico mostra a redução do consumo de energia elétrica do ano de 2001 para o ano de 2002, onde o usuário da residência teve uma economia de 171kWh. A média de consumo de energia elétrica da residência para os anos de 2001 e 2002 foi de 119kWh e 105kWh respectivamente. 10. CONCLUSÃO Embora o aproveitamento da energia solar seja uma preocupação bastante antiga em todo o mundo, só nas últimas décadas foram aprimoradas técnicas que possibilitaram a construção de coletores, e outros componentes, que tornaram viável sua utilização com um alto rendimento e a custos compatíveis com outras fontes clássicas de energia. No Brasil, apesar das imensas áreas propícias para captação da radiação solar, ainda hoje não há uma política explícita para o uso da energia solar e, por isso, o desenvolvimento de equipamentos adequados ficou bastante prejudicado pela falta de um padrão construtivo, o que ocasionou também a incompatibilidade na adaptação dos coletores às construções civis que quase sempre não são projetadas para recebê-los corretamente. Assim, ocorreu uma crescente preferência de outras formas de aproveitamento de energia em detrimento da energia solar, fato que só agora passa a ser modificado em função de razões econômicas e ecológicas. O trabalho proposto é mais uma das soluções que podem ser implementadas para produzir o aquecimento de água. A construção de coletor solar de concreto com materiais alternativos (recicláveis), mostrou viabilidade tanto no aspecto construtivo como em eficiência térmica e baixos custos de investimento. As temperaturas alcançadas pelo sistema de aquecimento de água proposto, e o consumo de energia elétrica reduzido após sua implantação, mostram a contribuição que esta alternativa traz para a minimização da dependência ao uso do chuveiro elétrico, constituindo-se também, em uma tecnologia a ser implementada e difundida para os setores populares.

11 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOPSHETTY, S. V.; NAYAK, J. K.; SUKHATME, S. P. Performance analysis of a solar concrete collector. Solar Energy, v. 332, n.11, p , BORGES, T.P.F. Síntese Otimizada de Sistemas de Aquecimento Solar de Água. Campinas: UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, jan p. Tese (Doutorado) CHAURASIA, P.B.L. Solar waters heaters based on concrete collector. Solar Energy, n. 25, p , FANTINELLI, J. T. Tecnologia Solar de Interesse Social e Baixo Custo Para Aquecimento de Água na Moradia. Campinas: UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, fev p. Tese (Mestrado). JUBRAN, B. A; AL-SAAD, M.A.; ABU-FARINS, N.A. Computacional evalution of solar heating systems using concrete solar collectors. Energy Conservation and Manegement, V.35, n. 12, p , MME. Ministério de Minas e Energia. Balanço Energético Nacional. Disponível na Internet: < Acesso em: março NAYAK, J.K.; SUKHATME, S. P.; LIMAYE, R.G.; BOPSCHETTY, S.U. Performance studies on solar concrete collectors. Solar Energy, v. 42, n. 1, p , PEREIRA, J.T.V; FANTINELLI, J.T. Tecnologia Solar de Baixo Custo para Aquecimento de Água na Habitação de Interesse Social. In: IV CONGRESSO BRASILEIRO DE ENERGIA, Maio 2002, Rio de Janeiro. Anais das Soluções para a Energia do Brasil. v.4, p PROCEL. O Setor Residencial. Disponível na Internet: < Acesso em: mar SOKOLOV, M.; RESHET, M. Performance studies on solar concrete collectors. Solar Energy, v.48, n.6, p , 1992.