EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES DE BAIXO CUSTO - CSBC

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1 EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES DE BAIXO CUSTO - CSBC Renato C. Pereira, Robson T. Shiota, Samuel F. Mello, Valdir Assis Jr., Julio R. Bartoli Depto. Tecnologia de Polímeros - Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP Caixa Postal 6066 Campinas SP, bartoli@unicamp.br RESUMO Neste trabalho foi determinada a eficiência térmica de um coletor solar de placas planas de baixo custo de fabricação. O Coletor Solar de Baixo Custo é um novo conceito para aquecimento de água utilizando apenas materiais termoplásticos, de uso comum na construção civil: forros modulares e tubos de PVC rígido, mas sem a cobertura transparente. A face superior da placa de PVC recebeu revestimento de cor negra, tinta comercial, para servir como superfície absorvedora de radiação solar. Protótipos destes coletores solares foram instalados em duas entidades assistenciais da região de Campinas e no campus da FEQ, funcionando sem problemas há um ano. Os ensaios de eficiência térmica foram realizados conforme ABNT NBR no Laboratório Green-Solar, do Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Térmica, PUC-Minas. Foi determinada uma eficiência térmica de 67%, comparado aos 75% dos coletores convencionais com tubos de cobre e cobertura de vidro. Palavras-chave: PVC, coletores solares, eficiência térmica. INTRODUÇÃO A grande parte da energia elétrica gerada no Brasil, isto é 77%, é obtida a partir de usinas hidrelétricas, de acordo com a Empresa de Pesquisas Energéticas (EPE) do Ministério de Minas e Energia 1, pela própria política governamental e pelo grande potencial hídrico de país. Todavia, a geração deste tipo de energia é muito cara e toda vez que uma nova usina é projetada ocorre muito prejuízo para o meio ambiente. A classe residencial detém 24,8% do mercado de energia elétrica com consumo de GWh. Um chuveiro elétrico responde pela maior parcela de consumo de energia elétrica residencial, 25% a 35% do total gasto, e segundo 9607

2 estimativa do Procel (2005), calcula-se que o chuveiro consome de 6,2% a 8,7% do total de energia elétrica produzida no país. Esta é uma das grandes motivações para o desenvolvimento da pesquisa de coletores solares de baixo custo (CSBC) para aquecimento de água para banho como alternativa ao chuveiro elétrico, responsáveis por 18% da demanda de pico do sistema. Além disso, há uma questão de cunho social, o CSBC pode ajudar a população de baixa renda. Levando-se em conta que um banho tenha tempo médio de 8 a 10 minutos, no final do mês, o chuveiro representará pelo menos 40% do valor da conta de energia elétrica de habitações populares. Segundo dados da Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG-2006), o consumo médio de uma residência de baixa renda é de R$ 40,00 ou uma média de R$ 16 só por conta do banho quente. Uma série de razões impede que a energia solar, ainda que de boa idéia, não vingasse no Brasil - falta de planejamento governamental, regras de construção civil que induzem à instalação de chuveiros elétricos, financiamento caro e escasso, poucos estudos técnicos sobre a tecnologia. Mas os aquecedores solares apresentam também vantagens sociais como a redução da conta de energia elétrica já mencionada e a geração de um grande número de empregos por unidade de energia transformada. No Brasil, a produção anual de um milhão de m² de coletores geraria aproximadamente 30 mil empregos diretos, em empresas de pequeno e médio porte, atualmente o mercado de coletores é de 350 mil m 2 por ano 2. Há também um Projeto de Lei para a cidade de S.Paulo, que visa instalar aquecedores solares de água em edificações, em elaboração pelo Comitê Municipal de Mudanças Climáticas e Eco-Economia da Secretaria do Verde e do Meio Ambiente. Em Belo Horizonte, destaque no país pelo emprego da energia solar devido a ações da CEMIG, o mercado imobiliário entendeu a importância dos sistemas tanto para a redução dos custos de condomínio e de energia elétrica, que hoje existem cerca de 1000 edifícios de apartamentos com sistemas solares de aquecimento de água. Praticamente todos os lançamentos de condomínios de classe média usam o equipamento como um dos apelos de venda. O uso de aquecedores solares ainda é incipiente no Brasil: em 2002, a área instalada de coletores solares no país era de 1,2 m 2 /100 habitante, consideravelmente menor que aquela instalada em Israel (67,1 m 2 /100 habitantes), Áustria (17,5 m 2 /100 habitantes) e China (3,2 m 2 /100 habitantes), por exemplo

3 Uma das razões que explicam o fato de países de muito menor insolação aproveitarem melhor as vantagens do uso dos aquecedores solares é de ordem legal. Em vários destes, existem leis que obrigam construtores a instalarem estes aquecedores já na construção. Um exemplo marcante é o de Barcelona, que implantou em julho do ano 2000 uma legislação que exige que pelo menos 60% das necessidades anuais de água quente de novas edificações ou em reforma sejam supridas pelo aquecimento solar. Dessa forma do ano 2000 até finais de 2003, a instalação de aquecedores solares saltou de 1,1 m 2 /mil habitantes para 13 m 2 /mil em Barcelona, enquanto que no Brasil, o mercado de coletores é de 350 mil metros quadrados por ano e na China, em 2005, foi de 10 milhões 2. O Brasil já conta com uma tecnologia capaz de medir a eficiência dos coletores e com isso torna possível a criação de etiquetas de desempenho, a exemplo do selo Procel que indica a eficiência energética de equipamentos domésticos. No caso dos coletores solares já existe um laboratório que realiza testes técnicos que é o Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Térmica - GREEN Solar com sede na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC-MG), em Belo Horizonte. EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES Para coletores solares com placas e tubos de cobre, com cobertura de vidro (efeito estufa), os parâmetros típicos encontrados pelo grupo de pesquisa da UFRGS são 7,7 W/m 2 K para coeficiente angular (resposta rápida ) e 0,74 para o linear (eficiência de 74%, elevada). Coletores solares de baixo custo e sem cobertura, feitos em polipropileno, propostos e testados por Mveh 8, 1999, apresentaram desempenho satisfatório com valores de 16 W/m 2 K para o coeficiente angular, perdas para o ambiente e tempo de resposta lenta (o dobro comparado ao de cobre), e 0,6 para coeficiente linear (eficiência de 60%). Krenzinger 7, 2001, testou coletores feitos a partir de polietileno de alta densidade e obteve valores muito semelhantes aos coletores de polipropileno. A eficiência térmica, também, foi obtida para coletores solares feitos com forros de PVC por Seewald 5 em 2004, baseados na tecnologia desenvolvida por Bartoli 3,4 em 1999, medindo-se 0,58 para a eficiência térmica e 60 W/m 2 K para o coeficiente das perdas. Este valor muito alto das perdas, nesse trabalho, foi provavelmente devido a problemas nas medições de temperatura e, portanto, não pode ser considerado representativo. 9609

4 COLETOR SOLAR DE BAIXO CUSTO (CSBC) Este projeto está inserido na continuação de trabalhos de pesquisa anteriores realizados no Centro Incubador de Empresas Tecnológicas (CIETEC/IPEN) em 2000, com apoio da Fapesp no projeto PIPE coordenados por Bartoli 3,4. Todavia, desde o encerramento do PIPE, quando foi verificada a viabilidade técnicaecônomica 4 dos CSBC em escala reduzida 1:4 (área 0,25 m 2 ), ainda não haviam sido conduzidos ensaios complementares e sistemáticos para determinar a eficiência térmica dos coletores em escala 1:1. Ao retomar o projeto (agosto 2004) na FEQ/Unicamp, novos protótipos de CSBC foram construídos e instalados para teste: no campus e em duas instituições assistenciais da região de Campinas (projeto Social da empresa junior da FEQ). Portanto, o coletor solar de baixo custo foi desenvolvido de maneira que pudesse ser construído pelo próprio usuário. Para isso o grupo atual de pesquisas do CSBC tem planos de elaborar um manual para que fosse divulgada e ensinada a técnica de construção e implantação do CSBC, com preço muito mais sugestivo que o coletor convencional (R$ 300 para 2 m 2 ou 400 litros). A associação dos materiais de baixo custo e o aproveitamento das instalações hidráulicas residenciais permitiria o retorno do investimento de 4 a 8 meses. MATERIAIS E MÉTODOS Para a construção do CSBC foram utilizadas placas de perfis planos (duplos) de PVC rígido extrudados, cor branca, de uso comum para forros e divisórias na construção civil, cortesia da Confibra: dimensões 1,25 x 0,62 m, e tubos e conexões hidráulicas de PVC rígido nos diâmetros 25 mm e 32 mm (Tigre). Os tubos foram cortados, fresados (Figura 1), colados às placas através de diferentes adesivos comerciais em estudo, como: Plexus 310 (metacrílico bicomponente), Araldite Profissional (epóxi bicomponente) e Brascoved KPO Branco (poliuretano bicomponente). A Figura 2 mostra a seqüência de montagem do CSBC, (a par de tubos fresados, (b) placa de forro de PVC sendo encaixada no tubo de PVC, (c) detalhe interno do tubo de PVC, com a seção da placa encaixada, e d) colagem do tubo à placa. No final, a placa é pintada com esmalte preto sintético (Coral). 9610

5 Figura 1 Placa de forro modular e tubo fresado, ambos de PVC. a) b) c) d) ) Figura 2: Etapas de montagem dos tubos fresados (a); com a placa de forro (b); detalhe interno do tubo após encaixe da placa (c) e após colagem das peças (d). Na Figura 3 são mostrados dois sistemas de aquecimento de água para 500 litros (a) e 100 litros (b) instalados no campus da FEQ e na Figura 4 o sistema instalado na Casa Bom Pastor, também para 500 litros. (a) (b) 9611

6 Figura 3 Protótipos montados no campus da FEQ: a) 500 l e b) 100 l. Figura 4 CSBC instalado na Casa Bom Pastor Os ensaios de eficiência térmica foram realizados no laboratório Green Solar da PUC-MG. Na Figura 5 é vista a parte superior do equipamento utilizado para simulação de aquecimento da água com os holofotes simulando a radiação solar. Na Figura 6, nota-se a parte inferior do equipamento e também a placa do CSBC instalada para a realização do teste, com ângulo de inclinação da placa para de 25. Este valor é indicado para a cidade de Belo Horizonte, relativo ao mês de setembro para um dia padrão e uma intensidade de radiação incidente de G=860,25 W/m 2. O equipamento está localizado em uma sala climatizada. Figura 5: Sistema de ensaio com a placa do coletor instalada. Figura 6: Sistema de ensaio em operação (holofotes acesos). 9612

7 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os cinco sistemas de coletores CSBC instalados no campus da FEQ (1 sistema para 500 litros e outro para 100 litros) e na região de Campinas (3 sistemas para 500 litros cada) completaram um ano de operação sem apresentar problemas de vazamento ou alterações dimensionais. Em dias ensolarados temperaturas de até 50 C são verificadas no final da tarde e estão substituindo os chuveiros elétricos satisfatoriamente. Amostras das placas de PVC, dos coletores da FEQ, serão retiradas em breve para análises físico-química (por exemplo: FTIR-ATR, MEV) e verificar possíveis alterações estruturais do PVC, isto é se há alguma indicação de fotodegradação. Foi verificado que a pressão de operação do coletor CSBC com adesivo Brascoved KPO foi de 14 mca (1,4 kgf/cm 2 ). Este valor pode ser considerado adequado, tendo-se em conta a altura observada em residências populares brasileiras. EFICIÊNCIA TÉRMICA É possível calcular o valor da variação da entalpia ( h) com os valores obtidos no teste de eficiência térmica do CSBC realizado nos ensaios do laboratório Green Solar. Nesse caso em referência à água na fase líquida entre 20 C e 70 C, pode ser obtida a partir da equação (A) do Programa Computacional CATT de Tabelas Termodinâmicas (J. Wiley & Sons) para temperatura expressa em graus Celsius. h ( kj / kg) = 4,1795 T + 0,4608 (A) Os valores de entalpia foram calculados pela diferença entre a entalpia da água na temperatura de saída da placa do coletor (h fs ) e a entalpia da água na temperatura de entrada da placa do coletor (h fe ) dada pela equação (B). h = h fs h fe (B) O volume específico é calculado pela equação empírica (C) para água na fase líquida na faixa entre 20 C e 70 C v ( m / kg) = 1,34 10 T + 5,66 10 T + 2,62 10 T + 9,99 10 (C) Sendo A ext a área total da caixa externa do coletor no caso do CSBC (A ext =0,7817 m 2 ) e a A transp a área transparente do coletor, área efetiva que permite a passagem da radiação solar atingindo a placa absorvedora, e é dada pelo conjunto 9613

8 de placa, tinta e tubulação, sendo do CSBC (A transp =1,3646 m 2 ). Assim através da equação (D), são obtidos os valores de eficiência térmica em função de (T fi T amb )/G, em C/W/m 2. O gráfico da eficiência térmica do CSBC é apresentado na Figura 7. A temperatura inicial da água foi de 28 C e a final foi de 60 C, neste ensaio. V h η = ρ (D) A G ext Figura 7: Gráfico da eficiência térmica medida no ensaio com o CSBC De acordo com a equação (E), o valor do coeficiente linear (Fr U L ) dado pela regressão linear é de 67,1 e o valor do coeficiente angular [Fr (τα)] é 1.732,2 W/m 2 K, com inclinação negativa. ( T fi Tamb ) η = Fr ( τ α) Fr U L (E) G Onde, Fator de Remoção (Fr): é definido como a razão entre a taxa de calor útil real transferida entre a placa absorvedora e o fluido de trabalho e o valor hipotético que seria transferido se toda superfície estivesse à temperatura do fluido na entrada do coletor. Coeficiente Global de Perdas (U L ): coeficiente associado à perda total de energia por condução, convecção e radiação entre a placa absorvedora e o ambiente. Absortividade (α): fração de energia radiante incidente que é absorvida pela placa absorvedora. 9614

9 Transmissividade (τ): razão entre a energia transmitida pela cobertura e energia solar incidente. Na Tabela I são mostrados as características térmicas de outros coletores solares em termos dos coeficientes angular [Fr (τα)] e linear (Fr U L ) da equação da eficiência térmica. Estes coletores solares foram fabricados com materiais diferentes: com tubos e chapa de cobre com cobertura de vidro, outro de Polipropileno sem cobertura de vidro, um também em PVC (de Seewald 5 ) e este coletor em estudo (CSBC). Tabela I Parâmetros térmicos de coletores solares feitos com diferentes materiais Coletor Fr (τα) Fr U L (W/m 2 K) Cobre c/ vidro 0,74 7,7 PP s/ vidro 0,60 16,0 PVC - Seewald 0,58 60,0 PVC - CSBC 0,67 17,3 As curvas de eficiência térmica são mostradas na Figura 8. Pode-se analisar esta curva por dois aspectos, pelo coeficiente linear, nesse caso, observa-se que os coletores de cobre com vidro possuem uma eficiência térmica muito maior em relação aos demais 6,7. O CSBC deste estudo conseguiu obter uma eficiência superior ao de PP 8 e ao próprio PVC de Seewald, os ensaios foram realizados em laboratórios distintos. Figura 8: Comparação entre as curvas de eficiência térmica de diversos tipos de coletores solares e o CSBC. 9615

10 CONCLUSÕES Os ensaios padronizados pela ABNT para determinar a eficiência térmica do CSBC, a base de PVC, indicaram os seguintes parâmetros: 17,3 W/m 2 K para Fr U L (perdas do coletor) e 0,67 para [Fr (τα)] (eficiência térmica). A eficiência deste CSBC é pouco inferior à eficiência geralmente medida em coletores convencionais (0,75). Todavia, como era esperado as perdas são relativamente altas, devido à ausência de cobertura transparente, que nos coletores convencionais permite o efeito estufa e diminui o efeito do vento. CSBC instalados no campus da FEQ e em duas instituições assistenciais, como projeto social da Propeq (empresa Jr.), seguem operando satisfatoriamente depois de um ano e temperaturas da água de ate 55 C são medidas, em dias ensolarados no final da tarde, para um volume de 500 litros (com duas placas). Ensaios de envelhecimento acelerado serão conduzidos com a colaboração do Lab. Green Solar-PUC Minas, para determinar a confiabilidade destes sistemas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Profa. Dra. Elizabeth M. Pereira e às suas colaboradoras Eng a. Daniela e Eng a. Eliziane do Laboratório GreenSolar Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Térmica - PUC Minas. Bem como a dedicação dos técnicos da Oficina Mecânica da FEQ: Sr. Valdemir, Sr. Daniel, Sr. Edgar e Sr. Alexandre e aos membros do Projeto Social da Propeq, empresa junior da FEQ. Agradecemos também às empresas: Confibra, pela doação das placas modulares de forro em PVC e à Tigre, pelos tubos e conexões hidráulicas em PVC. Finalmente ao programa PIBIC/Unicamp com bolsas de iniciação científica SAE e CNPq. REFERÊNCIAS 1 Empresa de Pesquisas Energéticas (EPE) em em 17/ site da ONG Vitae Civilis consultada em 07/07/2006 em 3 BARTOLI, J.R.; WOELZ, A.T.; Projeto PIPE/Fapesp N 1999/ , Junho BARTOLI, J.R., et al; Desenvolvimento de Aquecedor Solar de Água Utilizando Materiais Termoplásticos, 6 Cong. ABPOL, 11/2001, Gramado. 5 SEEWALD, A., Monografia de Conclusão de Curso em Eng. Elétrica, UFRGS,

11 6 COSTA, E. R. Limitações no uso de coletores solares sem cobertura para sistemas domésticos de aquecimento de água. Dissertação de mestrado. PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, KRENZINGER, A. Desempenho térmico de coletor solar. Certificado 013/2001.Laboratório de Energia Solar, PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, MVEH, J. de D. B. M. Análise teórica e experimental da eficiência térmica de coletores solares sem cobertura e de baixo custo. Dissertação de mestrado.promec/ufrgs. Porto Alegre, 1999 THERMAL EFFICIENCY OF LOW COST SOLAR COLLECTORS CSBC ABSTRACT The thermal performance of a low cost flat panel solar collector was measured. This Low Cost Solar Collector is a novel concept for water heating using only thermoplastics materials, used on building: ceiling and tubes made of unplasticised PVC, but without transparent cover. The top side of the UPVC panel was black painted to be the solar radiation absorber surface. Prototypes were installed on two charity houses around Campinas and at the FEQ campus, being used without any trouble for one year. The thermal efficiency analysis followed ABNT NBR standard at the Green-Solar Laboratory, Brazilian Centre for Development of Solar Thermal Energy, PUC-Minas. It was measured a thermal efficiency of 67%, compared to the 75% usually found on conventional solar collectors made of copper tubes and with glass cover. Key-words: UPVC, solar collectors, thermal efficiency. 9617