DEVELOPMENT OF COMPUTER PROGRAM FOR SCALING SYSTEMS OF PARTIAL UTILIZATION OF RAIN WATER FOR POTABLE PURPOSES IN RESIDENTIAL BUILDINGS

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1 DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA DIMENSIONAMENTO PARCIAL DE SISTEMAS DE APROVEITAMENTO DE ÁGUA DE CHUVA PARA FINS NÃO POTÁVEIS EM EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS Paulo Tetsuo Moriguti 1 ;Rafaella Inez Veloso de Moura 2 Resumo A escassez de água para consumo é um problema que vem se agravando ao longo do tempo, principalmente em grandes centros urbanos que possuem uma crescente demanda de consumo e longos períodos de estiagem. O aproveitamento de água de chuva, que vem sendo implantado para enfrentar o problema de escassez e contribuir com o desenvolvimento sustentável no consumo dos recursos hídricos, tem sido utilizado de forma frequente. Nesse panorama, o objetivo do presente trabalho é desenvolver um programa computacional para auxiliar o dimensionamento de partes do sistema do aproveitamento de água de chuva em edificações residenciais para fins não potáveis. Para a elaboração do programa, realizou-se uma pesquisa bibliográfica sobre o tema e o estabelecimento de diretrizes a serem seguidas para a elaboração do programa computacional na plataforma EES (Engineering Equation Solver), que calculará partes do sistema, e aplicação do programa através de um exemplo hipotético. Os resultados mostram que o programa foi elaborado corretamente, atendendo à normatização. Conclui-se que o programa é uma ferramenta que agiliza o dimensionamento e os estudos de viabilidade de um projeto de aproveitamento de água de chuva para fins não potáveis em edificações residenciais. Palavras-Chave Aproveitamento. Água de chuva. Sustentabilidade. DEVELOPMENT OF COMPUTER PROGRAM FOR SCALING SYSTEMS OF PARTIAL UTILIZATION OF RAIN WATER FOR POTABLE PURPOSES IN RESIDENTIAL BUILDINGS Abstract The shortage of water for consumption is a problem that has been worsening over time, especially in large urban centers that have a growing consumer demand and long periods of drought. The use of rain water, which has been deployed to tackle the problem of scarcity and contribute to sustainable development in the consumption of water resources, has been used so often. In this panorama, the purpose of this study is to develop a computer program to assist the dimensioning of parts of the system of rainwater utilization in residential buildings for non-potable purposes. For the preparation of the programme, a bibliographical research on the topic and the establishment of guidelines to be followed for the elaboration of the platform computer program EES (Engineering Equation Solver), which calculates parts of the system, and the implementation of the programme through a hypothetical example. The results show that the program has been prepared correctly, given the standardization. It is concluded that the program is a tool that streamlines the dimensioning and feasibility studies of a project of utilization of rainwater for potable purposes in residential buildings. Keywords Harnessing. Rain water. Sustainability. 1 paulimtets@gmail.com. 2 rafaellaivm@gmail.com. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO O abastecimento de água é um problema que se agrava com o tempo, principalmente em grandes centros urbanos. De acordo com projeções da Organização das Nações Unidas (ONU), até 2025, um terço da população mundial viverá em regiões que sofrerão algum problema relacionado com a água. O aproveitamento de água de chuva está sendo implantado para enfrentar o problema da escassez e cooperar com o desenvolvimento sustentável no consumo de recursos hídricos, incentivando o uso da água de chuva para usos não potáveis. Já em construções residenciais, vem crescendo a sua utilização e, em certas regiões, por necessidade, onde há problemas de escassez de água ou a demanda é maior que a produção da empresa de abastecimento e alguns casos nem existe o sistema de abastecimento. A prática do aproveitamento de água de chuva pode gerar uma economia de 30% a 65% da água fornecida pela companhia de abastecimento. O aproveitamento de água de chuva vem sendo utilizado em grande escala por economia, pois é viável a instalação do sistema devido ao grande consumo de água em construções industriais, comerciais e escolas. OBJETIVO GERAL Desenvolver um programa computacional na plataforma EES (Engineering Equation Solver) para auxiliar o dimensionamento da área de captação, vazão de projeto, diâmetro da calha, volume de descarte inicial, demanda de consumo mensal, volume de reservatório de acumulação e a eficiência da confiabilidade volumétrica, do sistema de aproveitamento de água de chuva em edificações residenciais para fim não potável e testar o exemplo hipotético. REVISÃO DE LITERATURA Segundo Peters (2006), o aproveitamento de água de chuva é uma prática usada para suprir as necessidades humanas desde muito tempo. Tomaz (2003), relata que essa prática está bem difundida nos Estados Unidos, Alemanha, Japão e Inglaterra, que aproveitam a água da chuva e a utilizam para fins não potáveis como: vaso sanitário, irrigação, mitigar a falta de água, controle de inundações entre outros fins. No Brasil, o aproveitamento de água de chuva é um sistema difundido principalmente na região do semiárido nordestino, devido ao grande tempo de estiagem, usando grandes cisternas que armazenam a água que é recolhida do telhado (PETERS, 2006). De acordo com Marinoski (2007), existe a necessidade de conscientização da população para o uso racional da água, sendo necessária a utilização de tecnologias que visam o aproveitamento de água, e uma das alternativas que vem se difundindo é o aproveitamento de água de chuva, que sem a necessidade de tratamento complexo pode ser usada em descarga de vasos sanitários, torneiras de jardins, lavagem de roupas, de calçadas e de automóveis. Conforme Peters (2006), o sistema de aproveitamento de água pluvial deve conter captação, condutores e dispositivos para o descarte da água de lavagem, sistema de tratamento e reservação, em casos de edifícios residenciais tubulação de recalque, bombeamento, reservatório superior e distribuição da água armazenada. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 A NBR (ABNT, 2007), no Brasil regulamenta as diretrizes dos requisitos para o projeto de aproveitamento de água de chuva para fins não potáveis provenientes de coberturas em áreas urbanas que, após o tratamento adequado, pode ser utilizada em bacias sanitárias, irrigação, lavagem de veículos, limpeza de calçadas, ruas e pátios, espelhos d água e usos industriais. Para a concepção do sistema, primeiro deve-se definir a área de coleta, parte fundamental para a eficiência do mesmo, saber o material da cobertura, que irá influenciar no valor do coeficiente de escoamento superficial, dimensionar as calhas e os condutores verticais e horizontais, assim como prever um gradeamento para remoção de detritos, sistema de filtragem, e descarte do escoamento inicial da primeira chuva, que segue para um tratamento simplificado, e em seguida é direcionada a um reservatório de água tratada e, posteriormente, encaminhada para um reservatório superior que irá distribuir a água a ser aproveitada (MAY, 2008). MATERIAIS E MÉTODOS O trabalho consiste em estabelecer as diretrizes a serem seguidas para desenvolvimento de projeto de sistema de aproveitamento de água de chuva para fins não potáveis em edificações residenciais, através do desenvolvimento de um programa computacional na plataforma EES (Engineering Equation Solver), que dimensionará a área de captação, vazão de projeto, diâmetro da calha, volume de descarte inicial, demanda de consumo mensal, o volume do reservatório de acumulação e a eficiência da confiabilidade volumétrica, obedecendo as diretrizes da primeira parte, para edificações residenciais localizados na cidade de Belo Horizonte. Executando um exemplo hipotético. As diretrizes a serem seguidas para o desenvolvimento do programa de aproveitamento de água de chuva são baseadas na NBR (ABNT, 2007) de Água de chuva Aproveitamento de coberturas em áreas urbanas para fins não potáveis requisitos. A área de contribuição é dimensionada de acordo com a NBR (ABNT, 1989). O programa computacional calculará somente um tipo de cobertura, a área de telhado com inclinação, a Equação 1calcula a área de contribuição de uma aba do telhado. (1) Depois de obtido o valor da área de contribuição o calcula-se a vazão de projeto ( Equação 2. ) com a (2) A calha será dimensionada pelo programa no formato semicircular, pela fórmula de Manning, Equação 3, utilizando a vazão de projeto calculada anteriormente pela Equação 3, e considerando o coeficiente de rugosidade. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 (3) O volume de descarte no programa será usado do valor de 2 mm por área de telhado. O reservatório de acumulação a ser utilizado para o armazenamento de aproveitamento de água de chuva terá o volume dimensionado pelo programa usando o método da simulação Equação 4 e deve obedecer a condição: 0 V_p V. (4) Para a análise do reservatório, iniciou-se a simulação a contagem do tempo com a hipótese do reservatório totalmente vazio, abrangendo dados pluviométricos mensais da cidade de Belo Horizonte - MG com uma serie histórica de 10 anos, partindo de janeiro de 2004 a dezembro de 2013, esses dados foram obtidos no sitio do INMET (2014). A demanda de consumo neste trabalho foi calculada para o uso em bacia sanitária de acordo a Equação 5 que considera o número de pessoas na residência ( ; número de descarga por dia ( ; volume de água por descarga em litros ( ; e o número de residências/apartamentos ( ). (5) De acordo com Tomaz (2003), para calcular a eficiência da confiabilidade volumétrica de aproveitamento de água de chuva, é necessário analisar o volume de chuva, o volume de overflow e a demanda de suprimento externo, portanto, a eficiência é calculada pela Equação 11. A eficiência é considerada relevante, quando mais próximo de 100%. (6) Para a verificação do programa computacional adotou-se um exemplo hipotético, a fim de testar seu funcionamento. Considerou-se um edifício residencial na cidade de Belo Horizonte, com as seguintes características: Largura da aba (a = 7 m); Comprimento do telhado (b =18 m); Parte mais alta do telhado (h =1 m); Número de abas (NA = 4 abas); Inclinação da calha = 1 %; N p = 3 pessoas por residência; N d = 5 descargas por dia; V d = 9 litros por descarga; N R = 12 apartamentos; Material da cobertura = Telha cerâmica. Um dos pontos mais importantes do programa é o dimensionamento do volume do reservatório de acumulação, da água de chuva captada, para fazer a avaliação desse parâmetro, o usuário deverá arbitrar um volume ao reservatório. O método de avaliar se o volume adotado é o mais indicado será dado na avaliação da eficiência da confiabilidade volumétrica. No exemplo decidiu-se testar volumes de reservatórios indicados no programa com valores superior encontrado na demanda de consumo e acrescentou-se outros volumes de reservatórios de a litros XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 RESULTADOS Os resultados gerados do teste hipotético pelo programa computacional estão apresentados na interface do mesmo, ilustrado pela Figura 1. Figura 1 Resultados do teste hipotético gerados pelo programa computacional DISCUSSÃO Área de Captação =540 m². A área de captação é um fator que influência diretamente na eficiência do sistema, pois é a partir dela que se determina a quantidade de chuva que pode ser armazenada (MAY, 2004). Área de captação é realmente um fator determinante para o projeto, pois ela é diretamente proporcional a quantidade de água captada, ou seja, quanto maior a área de captação maior o volume de água captada, possibilitando assim atender demandas maiores e proporcionando uma economia no consumo de água potável, aumentando a eficiência do sistema. A vazão de projeto calculada de 510,8 mm/l para o exemplo. Conforme a NBR (ABNT, 1989, p.2), a vazão de projeto é a vazão de referência para o dimensionamento de condutores e calhas. O programa calculou o diâmetro de 147 mm para uma calha semicircular com uma inclinação da calha de 1,0%. No exemplo, o telhado é formado por quatro áreas idênticas, sendo cada uma delas denominada como uma aba. Segundo Tomaz (2003), a calha tem a importância de coletar a água da chuva. A calha é responsável por conduzir a água até os condutores, necessitando ser dimensionada adequadamente, pois deve suportar a vazão de entrada e minimizar as perdas, ou seja, caso esta fique desproporcional, não suportará a vazão de entrada e eliminará a água que poderia ser armazenada por transbordamento, o que afetará a eficiência do sistema. No quesito descarte de água da primeira chuva o programa calcula este valor de l. Segundo Tomaz (2003), os primeiros milímetros de água de chuva captada realizam a lavagem da cobertura, que contém impurezas, havendo uma necessidade de descartar essa água, através de dispositivos manuais ou automáticos, sendo que o volume a ser descartado é determinado em função da área do telhado. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Eficiência O programa calcula também a demanda necessária de litros de água de chuva por mês para ser utilizado na bacia sanitária. De acordo com Tomaz (2003), o número mais provável de descargas que uma pessoa utiliza no dia é de 5 vezes com um volume de 9 litros por descarga. Com base nesses parâmetros é calculada a demanda de consumo, tendo o usuário apenas que inserir o número de pessoas que residem na edificação, pelo mesmo autor, na ausência de dados, considerase 3 pessoas por residência. A NBR (ABNT, 2007), diz que a demanda é o consumo médio a ser atendido é um dado necessário para dimensionar o reservatório pelo método da simulação. Obteve-se uma eficiência de 36,08% para um reservatório com volume de litros, na Tabela 1 constam todos os valores de volumes de reservatórios testados com suas respectivas eficiências, de onde foi gerado o gráfico representado na Figura 2. Tabela 1 Análise da eficiência em relação ao volume do reservatório Volume do Reservatório (l) Eficiência (%) Volume do Reservatório (l) Eficiência (%) , , , , , , , , , , , , , ,19 100% 80% Eficiência da Confiablidade Volumétrica 60% 40% 20% 0% (litros) Figura 2 Gráfico da análise da eficiência em relação ao volume do reservatório Analisando os dados da Tabela 1, nota-se que para os volumes experimentais adotados para o reservatório de acumulação, compreendidos na faixa entre e litros, tem-se uma eficiência menor que 50%, já o de e ocorre uma elevação da eficiência volumétrica atingindo 61,67% e 75,27%, respectivamente, já em relação aos valores que estão na faixa de volumes dos reservatórios de a litros a eficiência não varia muito, sendo valores aproximados entre 80 e 85%. Percebe-se que há uma grande variação do volume em contrapartida a eficiência tendendo a permanecer constante, o que fica evidente na Figura 2. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Geralmente, o reservatório de acumulação é o componente mais dispendioso do sistema [...]. Por isso, seu dimensionamento requer uma análise criteriosa para não tornar a implantação do sistema inviável. Dependendo do volume obtido no cálculo e condições do local, o armazenamento das águas pluviais poderá ser realizado para atender à demanda em períodos curtos, médios ou longos de estiagem (MAY, 2008, p. 59). O reservatório é a parte do sistema de aproveitamento de água de chuva de fator determinante, pois pode inviabilizar economicamente a implantação do sistema, ou pelo motivo de ociosidade (ficar vazio) do sistema, portanto, a eficiência volumétrica analisa o comportamento do volume do reservatório ao longo do tempo, quanto maior a eficiência, menor será o overflow e o suprimento externo, entretanto como observado na Figura 2, em alguns casos chega-se ao ponto em que não importa o quão grande o volume do reservatório, que não aumentará significativamente o valor da eficiência volumétrica, portanto, se o exemplo fosse executado para o reservatório de litros seria o suficiente, no entanto, ainda demandaria a utilização de outra fonte de abastecimento. Vale ressaltar que litros é um volume grande de reservação, o que implica que um estudo de viabilidade econômica seja realizado para implantação ou não do sistema, contemplando todos os volumes analisados para que se escolha a melhor opção. CONCLUSÃO Nota-se quatro fatores que influenciam de forma direta na eficiência volumétrica: a área de captação, volume do reservatório, a demanda de consumo e volume da precipitação. O tamanho da área de captação é diretamente proporcional à quantidades de água de chuva que será armazenada, ou seja, quanto maior a área maior o volume de água. O volume do reservatório baseia-se na demanda de consumo do sistema, quando a demanda é grande a quantidade de água que necessita ser armazenada é maior, consequentemente, maior deve ser o reservatório de acumulação de água de chuva. O reservatório de acumulação é outro fator que determina a eficiência volumétrica do sistema, pois deve ser capaz de armazenar a água captada e evitando o overflow e descartar a necessidade de abastecimento externo, ao mesmo tempo seu volume deve ser superior a demanda de consumo. O índice pluviométrico é outro fator que influência no volume do reservatório, quanto maior o índice maior o volume captado, entretanto, ele é dependente aos fatores naturais como clima e região onde será implantado o sistema, por exemplo, em locais com longos períodos de estiagem demandará reservatórios com maiores capacidade. Para manter uma eficiência volumétrica elevada do sistema é primordial encontrar um ponto de equilíbrio, podendo este ser obtido, se o produto do índice pluviométrico e a área de captação, somada ao volume contido no reservatório no dia anterior, sempre for maior que a demanda, ou seja, o volume armazenado deve ser maior que a demanda e volumes baixos de overflow e suprimento externo. O programa elaborado colabora para a determinação de uma análise de viabilidade da implantação do sistema de aproveitamento de água de chuva para fins não potáveis em uso residenciais, várias hipóteses podem ser testadas de forma rápida e confiável. Inicialmente elaborado para a cidade de Belo Horizonte, pode ser facilmente adaptado para outras regiões, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 apenas alterando os dados pluviométricos, pois quando o projeto for avaliado em outra região o cenário poderá ser totalmente diferente, pela circunstância do comportamento pluviométrico. Portanto, o programa cumpriu o seu objetivo, pois a partir dele, é possível dimensionar partes do sistema de aproveitamento de água de chuva: a vazão de projeto que permite definir os condutores consultando a norma vigente, calcular o diâmetro da calha, o volume do reservatório de descarte e o reservatório de acumulação de água de chuva, através da eficiência volumétrica, ou seja, quanto maior a eficiência melhor será o aproveitamento do reservatório de acumulação. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10844: Instalações prediais de águas pluviais. Rio de Janeiro, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15527: Água de chuva - Aproveitamento de coberturas em áreas urbanas para fins não potáveis: Requisitos. Rio de Janeiro, p. INMET. Banco de Dados Meteorológicos para Ensino e Pesquisa. Brasília Disponível em: < Acesso em: 01 set MARINOSKI, A. K. Aproveitamento de água pluvial para fins não potáveis em instituição de ensino: estudo de caso f. Trabalho de Conclusão de Curso (Departamento de Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 2007 PARANÁ. Lei Estadual de 26 de março de MAY, S. Caracterização, tratamento e reuso de águas cinzas e aproveitamento de águas pluviais em edificações f. Tese de doutorado (Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária) - Escola Politécnica da Universidade São Paulo, São Paulo, MAY, S. Estudo da viabilidade do aproveitamento de água de chuva para consumo não potável em edificações f. Dissertação de Mestrado (Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária) - Escola Politécnica da Universidade São Paulo, São Paulo, MORAES, J. A. S. Análise técnica e econômica da utilização da água da chuva para fins não potáveis em um prédio residencial f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação de Engenharia Civil) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, PETERS, M. R. Potencialidade de uso de fontes alternativas de água para fins não potáveis em uma unidade residencial f. Dissertação (Pós Graduação em Engenharia Ambiental) - Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, TOMAZ, P. Aproveitamento de água de chuva. 2. ed. São Paulo: Navegar Editora, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8