8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA E ESTUDO DO DESEMPENHO DE UMA BOMBA DE CALOR AR-ÁGUA COMO APOIO AO SISTEMA DE COLETOR SOLAR *Ivan Costa e Silva *Raphael Nunes de Oliveira ºRicardo Nicolau Nassar Koury ºLuiz Machado * Acadêmico do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6607 CEP: , Belo Horizonte/Brasil º Professor do Departamento em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6607 CEP: , Belo Horizonte/Brasil *ivancs@yahoo.com.br *rphnunes@gmail.com ºluizm@demec.ufmg.br ºkoury@demec.ufmg.br RESUMO Pretende-se com esse trabalho realizar um estudo da viabilidade econômica da fabricação de uma bomba de calor arágua para uso residencial. O uso de bomba de calor para aquecimento de água leva a uma considerável redução do consumo de energia elétrica quando comparado aos sistemas que utilizam resistência elétrica. Desta maneira, este tipo de equipamento proporciona um retorno econômico para o consumidor e possibilita uma redução da demanda nacional que destina aproximadamente 7% da produção apenas para o aquecimento de água. Para a realização de testes será utilizada a bomba de calor que se encontra no Laboratório de Refrigeração da Universidade Federal de Minas Gerais. Esta foi fabricada visando atender a demanda de uma família padrão composta por quatro pessoas, levando-se em consideração as limitações financeiras de uma família de classe média. Será apresentado o processo de desenvolvimento e/ou seleção de cada componente necessário para a fabricação, indicando o tempo para o retorno do investimento quando o equipamento é utilizado sozinho e ao ser empregado em paralelo com um sistema de coletor solar. Palavras Chave: Bomba de calor, aquecimento de água, análise economica

2 INTRODUÇÃO O Brasil enfrenta atualmente um período de crise no setor energético, devido ao aumento do consumo, não acompanhado por um mesmo crescimento de oferta de energia elétrica. Este fato resultou no racionamento de 2001, conseqüência do apagão acorrido neste ano. Constatou-se naquele momento uma redução do consumo nacional, como ilustrado na Figura 1, devido às metas impostas pelo Governo e às campanhas de conscientização. Fig. 1Curvas de carga do Subsistema Sudeste para os meses de agosto. Achão (2003) Porém, segundo Achão (2003), apesar de uma certa alteração no perfil da curva de consumo pósracionamento, percebe-se que no horário de pico o padrão se manteve semelhante ao encontrado no período anterior, até mesmo durante o racionamento. Isto porque a principal contribuição para a redução do consumo foi dada pelos setores industrial e comercial que investiram em novas tecnologias mais eficientes, o que influenciou principalmente no período diurno. Contudo, no horário de pico, quando ocorre a entrada simultânea da iluminação pública e o aumento do consumo residencial, especialmente iluminação e chuveiro elétrico, pouco foi feito para alterar o padrão de consumo. Segundo dados da eletrobrás-procel de 2004 o setor residencial nacional é responsável por cerca de 24,5% do consumo energético total, dos quais quase 30% são utilizados para aquecimento de água, ou seja, mais de 7% do consumo brasileiro. Isso fica evidenciado pela Figura 2 e Figura 3 respectivamente Fig. 2 Perfil do consumo energético brasileiro. Eletrobrás-PROCEL (2004)

3 Consumo de energia elétrica nas residências Iluminação 24% Outras 18% Aquecimento de água 26% Refrigeração 32% Fig. 3: Consumo de energia elétrica nas residências, Sena Moreira (2001) Este fato se agrava, uma vez que esta parcela se concentra no horário de pico, especialmente nas regiões sul e sudeste. Nestas regiões mais 85% das residências possuem chuveiro elétrico que, apesar de menos eficiente quando comparado a outros métodos de obtenção de água quente, vem sendo amplamente empregado, como demonstrado na Tabela 1. Isto ocorre pois é o método que apresenta o menor custo de aquisição, além de facilidade de instalação e manutenção. Tabela 1: Participação do chuveiro elétrico em diversas regiões, PUC/PROCEL (1999) Concessionária Região Número de chuveiros Light Rio de Janeiro 0,61 Eletropaulo São Paulo 1,09 Cemig Belo Horizonte 0,98 CEB Brasília 1,46 CELG Goiânia 1,11 Celpa Belém 0,01 Celpe Recife 0,2 Celce Fortaleza 0,03 Coelba Salvador 0,34 Copel Curitiba 1,01 CEEE Porto Alegre 0,92 Um método alternativo para aquecimento, amplamente difundido na Europa, á a utilização de bomba de calor (BDC). São consideravelmente mais eficientes quando comparados aos sistemas baseados no efeito joule, uma vez que permitem a transferência de energia gratuita disponível no ambiente, constantemente renovada pela incidência da radiação solar, para uma fonte mais quente. Com o objetivo de desenvolver um método de aquecimento de água mais eficiente, isento do uso de resistência elétrica, propõe-se neste trabalho a utilização de uma BDC tendo como fonte fria o ar ambiente e como fonte quente a água a ser aquecida. Este modelo poderá ser utilizado na substituição de chuveiros elétricos em residências e ainda como complemento a sistemas de coletor solar. Será apresentado o processo de desenvolvimento do protótipo, indicando a metodologia empregada no dimensionamento/seleção de cada um dos seus componentes principais. Uma análise de viabilidade econômica do sistema, tendo como parâmetros os custos relativos à fabricação e instalação e os dados de retorno financeiro, obtidos

4 através dos testes realizados com o modelo, indicará o ganho real obtido com a utilização de bomba de calor para aquecimento de água. BOMBA DE CALOR Um país tropical como o Brasil tem grande potencial para o aquecimento de água por coletores solares. Por isso o uso dos mesmos em residências e em hotéis está se tornando uma realidade. Para uma família padrão de 4 pessoas, o custo de banhos através do chuveiro elétrico é de R$ 50,00 por mês, Magalhães (2005). Caso houvesse insolação durante todo o ano, o coletor solar proporcionaria uma economia de R$ 600,00 e o investimento com o equipamento estaria pago em aproximadamente 2 anos. Porém existem períodos de chuva ou de pouca insolação, nestes a água é aquecida por meio de um resistor elétrico imerso no reservatório de água. Em hotéis o problema ainda é maior, a área disponível nos telhados para a coleta de energia solar é, em geral, insuficiente em face à grande demanda de água quente. Nesses casos, o aquecimento da água através do resistor elétrico ocorre mesmo em períodos de insolação. Uma alternativa a esse sistema de aquecimento por resistência elétrica em coletores solares seria a instalação de uma bomba de calor que funcionaria em paralelo com o coletor. A bomba de calor tem um rendimento melhor que o sistema de resistores, pois ela aproveita energia térmica já estocada no meio ambiente. A seguir uma breve explicação do ciclo frigorífico que ajuda a entender melhor o funcionamento de uma bomba de calor. Fig. 4: Representação esquemática do ciclo frigorífico Durante um ciclo de refrigeração convencional o fluido refrigerante passa pelo compressor onde é comprimido e o deixa a uma alta temperatura e alta pressão em estado de vapor superaquecido (ponto 2), o fluido segue então para o condensador onde troca calor com a fonte quente este que até então estava em estado de vapor superaquecido se condensa durante essa troca de calor até se tornar líquido comprimido (ponto3). Neste momento ele passa pela válvula de expansão voltando a ser bifásico e a ter uma baixa pressão (ponto4), vai para o evaporador onde troca calor com a fonte fria até se evaporar totalmente e se tornar novamente vapor superaquecido (ponto1), segue então para o compressor completando assim o ciclo.

5 PROTÓTIPO DA BOMBA DE CALOR Desde 2000, o Laboratório de Refrigeração e Bomba de Calor da UFMG vem se dedicando ao estudo do aquecimento de água para uso residencial por meio de bombas de calor. Trabalhos de graduação, dissertações e teses foram ou estão sendo produzidos nesta área. Nos dois últimos anos, este grupo de pesquisas, em parceria com a empresa fabricante de coletores solares Maxtemper, desenvolveu um protótipo de uma bomba de calor para apoiar os coletores solares. A montagem mostrada na foto apresenta vários acessórios que, naturalmente, não farão parte do protótipo definitivo a ser instalado em uma residência. Dois dispositivos de expansão foram usados: um o tubo capilar e uma válvula termostática. Registros foram instalados no circuito para permitir a seleção do dispositivo de expansão a ser testado. Apesar do seu baixo custo, o tubo capilar mostrou-se adequado para o aquecimento da água e, conseqüentemente, foi o dispositivo escolhido para produção da expansão do fluido de trabalho no protótipo final. O fluido de trabalho escolhido foi o R134a, que por ser um hidrofluorcarbono não possui cloro em sua composição e com isso não degrada a camada de ozônio. Além disso, apresenta boas propriedades termofísicas frente a outros fluidos também pesquisados. Foi instalado um acumulador que objetiva proteger o compressor contra golpes de líquido quando existe excesso de fluido no sistema, porém a massa desse fluido foi determinada com segurança a partir do método de Hughmark, Koury (2006), eliminando a necessidade desse componente. A próxima etapa do projeto da BDC corresponde à seleção do compressor. Para tal se faz necessário a determinação da potência de aquecimento referente à aplicação do sistema. Os parâmetros utilizados referem-se a uma família padrão composta por 4 pessoas. O consumo diário de água (V) considerado foi de 200l (50 l/pessoa), com uma temperatura a ser alcançada de 45 C (T f ), ideal para banho. Estipulou-se um tempo de 4 horas para o total aquecimento da massa de água (t). Sabendo-se o calor específico da água (cp) e a sua densidade (ρ), e considerandose uma temperatura inicial da água de 20 C (T i ), o valor da potência de aquecimento pode ser obtido pela seguinte fórmula: ( f i) V ρ cp T T QH = (1) t Devido à baixa potência encontrada, 1,45 kw, optou-se por um compressor alternativo hermético, que apresenta um baixo custo de aquisição e facilidade de manutenção, tornando-o mais acessível ao público consumidor. O condensador foi dimensionado com base na temperatura média da água no boiler, na temperatura de condensação e grau de superaquecimento e subresfriamento. A metodologia desse cálculo foi apresentada em trabalhos anteriores, Koury (2006). No caso do evaporador, foi selecionado um modelo de mercado com ventilação forçada com base na potência do compressor. Tal modelo apresenta um espaço reduzido e confiabilidade de funcionamento devido à convecção forçada. ANÁLISE ECONOMICA A seguir será elaborada uma análise econômica de uma bomba de calor que funcionasse como apoio ao sistema de aquecimento de água com o coletor solar. Para tal foram realizados testes de performance do protótipo a fim de determinar a razão de energia produzida por energia gasta da BDC. Esta razão será chamada de COP, coeficiente de performance, Sonntag (2003). Q H COP = (2) Pe ( ) Q = mc T T (3) H p f i Sendo Pe a potencia elétrica consumida, m a massa de água aquecida. Foram feitos n testes e para cada um deles foi calculado um COP diferente, a media desses valores nos indicaram o coeficiente de perfromance do protótipo. Os seguintes materiais serão empregados para este estudo: Três termopares localizados no reservatório de água; Um medidor analógico contínuo de consumo elétrico posicionado na tomada única de energia da BDC que alimenta o compressor e o ventilador do evaporador, da marca Kron, modelo MKE-01; Um protótipo da BDC projetada segundo a metodologia descrita anteriormente;

6 Tabela 2: coeficiente de performance da BDC Teste Pe (kw/h) Q H (kj) COP (adimensional) 1 2, ,50 2,12 2 2, ,91 2,05 3 2, ,21 1,93 4 2, ,55 1,95 Média 2, ,54 2,01 Sendo Q H os valores de energia para aquecimento de água em cada teste, uma vez que a temperatura inicial apresentou certa variação. De acordo com o levantamento feito o gasto para a fabricação da bomba de calor está explicitado na tabela que se segue. Tabela 3: Custo de fabricação e instalação da BDC Equipamento Custo Compressor R$ 320,00 Condensador R$ 15,00 Evaporador R$ 65,00 Filtro secador R$ 18,00 Termostato R$ 60,00 Tubo capilar R$ 5,00 Ventilador R$ 39,00 Instalação e outros R$150,00 Total R$672,00 De acordo com dados da CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais ), o custo da energia elétrica é de R$0,65 / KW-h. Segundo dados práticos obtidos pela empresa Maxtemper Ltda um coletor solar instalada na cidade de Belo Horizonte apresenta limitações de uso em 90 dias por ano. Nestes dias a demanda por água quente será suprida pela bomba de calor. Portanto segue os cálculos da economia de energia para n dias por ano em uma residência com uma família de 4 pessoas. CQH n Gr ( n ) = (4) 3600 CQH n GBDC ( n) = + I (5) 3600COP Sendo G r o gasto com a resistência elétrica, G BDC o gasto com a bomba de calor, C o custo da energia elétrica, n o número de dias e I o investimento com a BDC. A seguir foi plotado o gráfico que mostra o retorno no investimento de uma bomba de calor, podemos perceber que no dia 354 as linhas se cruzam. Como ao uso deste recurso se restringe a 90 dias ao ano, a partir do quarto ano a bomba de calor começa a ser vantajosa em relação ao sistema com resistor.

7 Curva de retorno Sistema com resistor Sistema com BDC 2.100, , ,00 Gasto (R$) 1.200,00 900,00 600,00 300,00 0, Tempo (dias) Fig. 5: Gasto com a BDC e o resistor através do tempo Este estudo mostrou que a bomba de calor, apesar de exigir um maior investimento inicial, apresenta um retorno econômico que ocorre em um tempo razoável de acordo com o Gráfico 1. Os testes foram realizados a fim de se ter uma referência quanto ao tempo de retorno, uma vez que este varia com o clima da região. Pesquisas sobre o sistema de aquecimento de água para uso residencial usando bomba de calor têm sido realizadas no sentido de aumentar a eficiência da BDC e conseqüentemente reduzir o tempo de retorno. Assim conclui-se que a bomba de calor tem um futuro promissor, pois contribui na redução do consumo de energia e a sua substituição no sistema de aquecimento por resistor se mostrou bastante viável. REFERENCIAS 1. C. C. L. Achão, Análise da Estrutura de Consumo de Energia Pelo Setor Residencial Brasileiro. Rio de Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro, p. (Dissertação, Mestrado em Ciências em Planejamento Energético). 2. PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica < Data de acesso maio de V. Senna Moreira, Projeto, Construção e Instalação de um Evaporador Estático em uma Bomba de Calor Ar-Ar. Belo Horizonte: Universidade Federal de Minas Gerais, 2001, 50p. (Trabalho de Graduação). 4. PUC/PROCEL (Pontifícia Universidade Católica / Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) (1999) 5. I. F. Magalhães, Dimensionamento de uma bomba de calor para aquecimento de água para uso residencial, Universidade Federal de Minas Gerais, 2005, 50p. (Trabalho de Graduação). 6. R. N. N. Koury, L. Machado, I. C. Silva, R. O. Nunes, Desenvolvimento de uma Bomba de Calor Ar-Água para Uso Residencial. Congresso Nacional de Engenharia Mecânica CONEM, anais em CD, R. E.Sonntag, C. Borgnakke, Introdução à Termodinâmica para Engenharia, LTC Editora, 2003,381 p. 8. Cemig (Companhia energética de Minas Gerais) < Data de acesso de maio de 2007.

8 UNIDADES E NOMENCLATURA Q H Potência de aquecimento da água (W) Q H Energia para aquecimento da água (kj) Q H Energia para aquecimento da água durante cada teste (kj) COP Coeficiente de performance (adimensional) V Volume diário de água a ser aquecida (m 3 ) T f Temperatura final da água ( C) t Tempo de aquecimento de água (h) c p Calor específico da água (kj/kg C) ρ Massa específica da água (kg/m 3 ) T i Temperatura inicial da água ( C) Pe Potência elétrica consumida pela bomba de calor (W) m Massa da água (kg) G r Gasto com o sistema operando com o resistor (R$) C Custo de energia elétrica (R$/kW-h) n Tempo de uso do equipamento (dias) G BDC Gasto com sistema operando com a bomba de calor (R$) I Investimento inicial com a bomba de calor (R$)