ANALYSIS OF SIMULATION METHOD TO SIZING RAINWATER TANKS IN SINGLE-FAMILY HOUSES

Transcrição

1 ANÁLISE DO MÉTODO DA SIMULAÇÃO PARA DIMENSIONAMENTO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUAS PLUVIAIS EM RESIDÊNCIAS UNIFAMILIARES Carolina K. Novakoski 1 * ; Marcelo G. Marques 2 ; Eliane Conterato 3 Resumo A determinação do volume do é um dos fatores mais importantes no dimensionamento do sistema de aproveitamento de águas pluviais. Portanto o método empregado para seu dimensionamento deve ser escolhido com cuidado, devendo estar adequado ao tipo de edificação e ao local em que a mesma está situada. O presente trabalho tem por objetivo a análise do método da simulação visando a instalação do sistema de aproveitamento da água da chuva em residências unifamiliares, a partir de simulações realizadas em uma residência de classe alta, localizada na cidade de Porto Alegre RS. A partir da análise, são feitas sugestões de modificações no método, de forma a torna-lo mais adequado ao dimensionamento de pequenos s, como é o caso em residências unifamiliares. Palavras-Chave de águas pluviais, método da simulação, aproveitamento de águas pluviais ANALYSIS OF SIMULATION METHOD TO SIZING RAINWATER TANKS IN SINGLE-FAMILY HOUSES Abstract Considering the most important and most expensive item in a Rainwater catchment systems is the water tank, the sizing method must be chosen carefully and be suitable to the building and area the system is located. The simulation method is one of the most used to size water tanks in buildings. This paper aims to analyze this method to a single-family house Rainwater catchment system located in Porto Alegre RS. Lastly, a modification to the method is suggested, adapting it to small water tanks sizing, as in single-family houses. Keywords Rainwater tank, simulation method, Rainwater catchment system INTRODUÇÃO Com o aumento da população e industrialização crescente, os mananciais que abastecem a população estão se tornando escassos, além de ter sua qualidade comprometida.. Medidas alternativas de uso consciente da água estão ganhando espaço, servindo como opção, seja para suprir escassez temporária ou para economia de água potável para fins nobres. Uma medida que pode ser muito eficiente é o aproveitamento de águas pluviais que, além de possibilitar a substituição de fontes, preservando a água potável para utilização onde a mesma é realmente necessária, contribui no combate contra enchentes urbanas. 1 *Mestranda em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, IPH/UFRGS, Porto Alegre, (51) , carolkn04@gmail.com. 2 Professor Doutor DOH/IPH/UFRGS, UFRGS, Porto Alegre, (51) , mmarques@iph.ufrgs.br. * Doutoranda em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, IPH/UFRGS, Porto Alegre, (51) , eliconterato@gmail.com XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 O aproveitamento de águas pluviais consiste em captar a água da chuva através de uma superfície de coleta, armazená-la em s e, posteriormente, distribuí-la. O tratamento da água pluvial dependerá da utilização da mesma. De acordo com Dornelles (2012), é recomendado o uso não potável da água pluvial, sendo que, para atingir os padrões de potabilidade, o sistema poderia se tornar inviável economicamente. May (2004) ressalta que o aproveitamento da água da chuva gera a economia de água potável para usos menos nobres, como lavagem de veículos, reserva de água para combate a incêndios, lavagem de roupas e recarga de bacias sanitárias. Segundo Cohim et al. (2008) o sistema de captação e utilização da água pluvial é composta por: superfície de captação, calhas e tubulações, tratamentos, bombas, sistemas pressurizados e s. Tomaz (2005) salienta que a distribuição da água é feita através de um sistema dual, onde um destina-se a distribuir a água potável e o outro distribui a água proveniente de aproveitamento de água da chuva. O sistema não deve, de modo algum, permitir contato entre a água potável e a água de aproveitamento. O item do sistema de aproveitamento de águas pluviais que apresenta maior custo e que necessita de maiores cuidados no seu dimensionamento é o. Existem vários métodos para esse dimensionamento, porém, os mesmos devem ser devidamente analisados antes de sua aplicação, já que alguns tem como finalidade o abastecimento da demanda de água e outros visam, principalmente, o combate às enchentes. Um método muito utilizado para o dimensionamento do de águas pluviais é o método da simulação. Segundo Cohim et al. (2008), o método da simulação consiste em um balanço hídrico a partir de volumes de s pré-determinados. Tomaz (2005, p. 142) salienta que esse é um método aplicado através de tentativas e erros, onde se supõe conhecer a demanda e o volume do. O autor ainda ressalta que, na aplicação desse método, os dados históricos são representativos para condições futuras. O presente trabalho apresenta os resultados preliminares da análise realizada do método da simulação para dimensionamento do do sistema de aproveitamento de águas pluviais instalado em residências unifamiliares. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Para execução deste trabalho, o método da simulação foi aplicado em uma residência de padrão alto localizada na cidade de Porto Alegre-RS. A escolha da residência foi feita de acordo com a NBR (2005), que estabelece padrões para residências unifamiliares de acordo com suas características principais e acabamentos. A residência selecionada possui dois pisos, com sala de estar, sala de jantar, estar íntimo, cozinha, circulação, lavanderia com banheiro, dependência de empregada, sala de TV, quatro suítes de casal (sendo uma com closet e banheiro e três com banheiro) um banheiro social e garagem para dois carros. Para a aplicação do método da simulação deve ser conhecida a área do telhado e a demanda da residência. A área do telhado foi calculada de acordo com a NBR A residência selecionada apresenta um telhado do tipo superfície inclinada (figura 1), que deve ter sua área calculada através da equação 1. A área total calculada para o telhado foi de 260m². XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1: Tipo de telhado presente na residência selecionada h A = a + b 2 (1) Para o cálculo da demanda da residência foi necessário calcular o número de moradores da mesma. Esse cálculo foi realizado de acordo com o Decreto n (1988), do departamento Municipal de Água de Porto Alegre, o qual considera duas pessoas para dormitórios de até 12m² e três pessoas para dormitórios de mais de 12m², assim, foram considerados 12 moradores na residência. Foi considerando o consumo de água dos aparelhos em que a água da chuva pode ser utilizada: descarga da bacia sanitária e torneiras externas para lavagem de carros e rega de jardins. Foram utilizados parâmetros para estimativa de demanda de uso interno e externo da água (tabelas 1 e 2). Tabela 1 Parâmetros de engenharia para estimativa da demanda residencial de água para uso externo (Tomaz 2005) Uso Externo Unidade Parâmetros Gramado ou jardim Litros/dia/m² 2 Lavagem de carro Litros/Lavagem/carro 150 Lavagem de carros: frequência Lavagem/mês 4 Tabela 2 Parâmetros de engenharia para estimativa da demanda residencial de água para uso interno (Tomaz 2005) Uso Interno Unidade Parâmetros Inferior Superior Mais Provável Descarga na bacia Descarga/pessoa/dia Volume de descarga Litros/descarga 6, Considerando que a residência em questão possui 32,7 m² de gramado, dois automóveis e 12 moradores, o cálculo da demanda de água que pode ser substituída por água proveniente do aproveitamento de água da chuva resultou em 17 m³/mês, o que equivale a 0,56m³/dia. DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO DE AUTO-LIMPEZA O de auto-limpeza é um dispositivo que descarta a água inicial da chuva, já que essa carrega a maior quantidade de sujeira. Para o seu dimensionamento foi considerado que o mesmo deve armazenar 1,5mm de chuva por metro quadrado de telhado. Foi adotado o maior valor recomendado por Dacach (1990 apud TOMAZ, 2005 p. 95) garantindo que todo o escoamento com resíduos grosseiros seja descartado. Como a residência possui 260m² de telhado, o volume do de auto-limpeza deve ser de 0,39m³. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 APLICAÇÃO DO MÉTODO DA SIMULAÇÃO Para a análise do método da simulação, o mesmo foi aplicado com valores diários e mensais de precipitação. Os dados de pluviometria utilizados foram obtidos através do sistema de informações hidrológicas da Agência Nacional de Águas em meio digital. Foram analisados dados de 52 anos consecutivos (de 1961 a 2013) da estação de código , localizada na cidade de Porto Alegre. Na amostra de pluviometria com dados mensais, as falhas foram preenchidas com a precipitação correspondente ao mesmo mês do ano mais seco identificado. Na amostra com dados diários, as falhas foram preenchidas seguindo a mesma lógica, com a precipitação correspondente ao mesmo dia do ano mais seco. As simulações foram feitas com os seguintes volumes de pré-determinados: 0, 1; 2,5; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 200; 300 e 400m³. Foram determinados valores de s até 400m³, valores altos e praticamente inviáveis, com o objetivo de extrapolar os resultados e verificar, a partir de qual dimensão de, o aumento do volume do mesmo não implica em um aumento no atendimento à demanda. Nos casos em que essa situação ocorreu com volumes de menores, as simulações foram realizadas apenas até esse volume, não havendo necessidade de simular volumes maiores. A tabela 3 apresenta a aplicação do método da simulação na residência de padrão alto com valores diários e com um volume de de 10m³. As colunas da tabela estão descritas em seguida: Tabela 3 Aplicação do método da simulação A (m²) 260 D (m³) 0,56 C 0,8 Volume do (m³) 10 Data (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) P média diária (mm) P média diária -2 (mm) Volume captado (m³) Volume no no tempo t-1 Volume no no tempo t Overflow Suprimento de água externo 02/jan/ ,0-0,56 0 0,56 03/jan/1961 0, ,0-0,56 0 0,56 01/jan/1961 2,4 0,4 0,08 0,0-0,47 0 0,47,,, 29/12/ ,9 1, /12/ ,3 0, /12/2013 0, ,8 0, a) Coluna 1: data em que foi realizada a leitura da precipitação. b) Coluna 2: leitura da precipitação, em mm, na data fornecida pela coluna 1. c) Coluna 3: leitura da precipitação subtraída de 2mm que foram considerados para a retenção de água pelo de auto-limpeza e a quantidade de água que não gera escoamento. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 d) Coluna 4: volume de água da chuva que pode ser captado pelo telhado no dia em m³. Esse cálculo foi feito através da equação 2, na qual P (t) é a precipitação obtida na coluna 3 porém em m e C é o coeficiente de escoamento que foi considerado igual a 0,8. V( t ) = P( t) A C (2) e) Coluna 5: volume do no tempo t-1, ou seja, no início do dia (ou do mês quando o método for aplicado com os valores mensais). Para a primeira linha da tabela, esse valor é zero devido ao fato de que o foi considerado vazio no início da simulação. Para as outras linhas, esse valor é determinado do seguinte modo: se o valor da coluna 6 para a data imediatamente anterior foi menor que zero, o valor do volume do no tempo t-1 para a data em questão será zero, se não, será o valor encontrado na coluna 6. f) Coluna 6: volume do no tempo t, ou seja, no final do dia (ou do mês, no caso de valores mansais). Esse valor é obtido do seguinte modo: se o volume da chuva captado mais o volume do no tempo t-1 menos o valor da demanda for maior que o volume fixado do, esse valor será o próprio valor do, se não, será o resultado do volume de chuva captado somado ao volume do no tempo t-1 subtraindo a demanda. Se esse valor foi negativo, entende-se que o volume no é zero sendo necessário suprimento externo de água para atendimento da demanda. g) Coluna 7: volume de água da chuva que foi captada e jogada fora devido ao já estar cheio. Esse valor é obtido da seguinte forma: se o volume de chuva captado mais o volume do em t-1 subtraído da demanda for menos que o volume do, o overflow será zero, se não, esse valor será o volume de chuva captado mais o volume do em t-1 subtraindo a demanda e o volume fixado do. h) Coluna 8: quantidade de água necessário do meio externo. Esse valor é obtido do seguinte modo: se o volume de água captado mais o volume do no tempo t-1 menos a demanda for maior que zero, esse valor é zero, se não esse valor será a demanda menos o volume de chuva captado menos o volume do em t-1. A figura 2 apresenta os resultados obtidos para o método da simulação aplicado com valores mensais e diários, para os volumes de s simulados, para a residência de alto padrão. Para pequenos s, aplicando os métodos com valores diários de precipitação, como o balanço de massa é feito diariamente, obtém-se resultados de menor porcentagem de atendimento para um mesmo volume de, quando em comparação ao método aplicado com valores mensais de precipitação. Entretanto, para s maiores, o método apresenta resultados muito próximos, como se pode observar, detalhadamente com a ampliação na figura. Além disso, pode-se perceber que, mesmo para s muito pequenos (inclusive com volume igual a 0), os métodos apresentam um bom atendimento à demanda. Isso ocorre porque, na coluna 6 da tabela 32, para definir o volume do s, a demanda é subtraída diretamente da soma entre o volume de chuva captada e volume do no tempo t-1. Isso significaria que primeiro a demanda é suprida e depois o armazena. Quando o método é aplicado com valores diários, a água não está sendo consumida durante a chuva. As operações realizadas na tabela 3 seriam coerentes se toda a demanda do dia fosse suprida com a água captada no início da chuva e posteriormente ao atendimento da demanda o passa a armazenar. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 2 Resultados obtidos para o método da simulação com valores mensais e diários de pluviometria para residência de padrão alto Pode-se observar que para um atendimento de 90% do tempo o volume do deve ser de aproximadamente 15 m³. A partir deste ponto, o volume necessário para se ter um risco inferior de não atendimento à demanda cresce exponencialmente. O presente trabalho propõe uma modificação no método da simulação para aplicação com valores diários. Essa modificação é baseada no fato de que a situação real seria: chove em um determinado momento, a água captada enche o e, então, a água é consumida, esvaziando o mesmo. A tabela 4 apresenta a aplicação do método com as modificações propostas pelo presente trabalho, denominado método da simulação modificado, para uma situação idêntica à apresentada na tabela 3. As colunas da tabela anterior estão descritas a seguir: Tabela 4 Aplicação do método da simulação modificado A (m²) 260 D (m³) 0,56 C 0,8 Volume do (m³) 10 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Data P média diária (mm) P média diária - 2 (mm) Volume captado (m³) Volume no no tempo t-1 Volume do no tempo t Volume no no tempo t+1 Overflow Suprimento de água externo 02/jan/ ,0 0-0,56 0 0,56 03/jan/1961 0, ,0 0-0,56 0 0,56 04/jan/1961 2,4 0,4 0,08 0,0 0,08-0,47 0 0,47,,, 29/12/ ,52 0 0,56 30/12/ ,03 0 0,56 31/12/2013 0, ,56 0 0,56 a) Coluna 1, 2, 3, 4 e 5: são idênticas às da tabela 3. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 b) Coluna 6: volume do imediatamente após a chuva e anterior ao início do consumo. Esse resultado é obtido da seguinte forma: se a soma entre o volume de chuva captado e o volume do no tempo t-1 for maior que o volume do, esse valor é o volume do, se não, esse valor é o volume de chuva captado mais o volume do no tempo t-1. c) Coluna 7: volume do após o consumo da água. Esse valor é obtido subtraindo a demanda do valor obtido na coluna 6. d) Colunas 8 e 9: semelhantes às colunas 7 e 8 da tabela 3 respectivamente. A figura 3 apresenta uma comparação feita entre o método da simulação e o método da simulação modificado. 200 Vol. Res. (m³) Método da simulação modificado Métododa simulação 0 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 Atendimento % Figura 3 Aplicação do método da simulação modificado com valores diários de precipitação Analisando a figura 3 pode-se notar que, para volumes grandes de, os dois métodos fornecem resultados muito próximos. Já para s pequenos, o método da simulação modificado apresenta valores de atendimento bem menores em relação ao método da simulação, inclusive, quando não existe nenhum instalado (volume igual a zero) o método modificado apresenta um atendimento igual a zero, que é a situação real. Isso ocorre porque s pequenos não conseguem armazenar grande parte da chuva que é captada pelo telhado, gerando o chamado overflow. Em s de maior volume, nos quais a quantidade de água que extravasa é muito reduzida, as modificações tornam-se desnecessárias. Como foi observado, na figura 2, também se pode observar na figura 3 que para se ter um risco de falha inferior a 10% (atendimento de 90% do tempo) o volume do deve ser de aproximadamente 15m³, e a partir deste ponto o volume a necessário para se ter um risco inferior cresce exponencialmente. CONCLUSÕES A partir dos resultados preliminares obtidos, se pode observar que o método da simulação modificado aplicado com valores diários de precipitação não representa com exatidão a realidade para a demanda ser suprida durante o dia, mas representa mais fielmente o que ocorre quando os s disponíveis são pequenos. XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Para a aplicação com valores mensais de precipitação, o método da simulação modificado não é adequado, pois consideraria que toda a chuva ocorre no início do mês. Assim, optou-se por aplicar o método da simulação (como apresentado na tabela 32) retirando das simulações o volume de igual a zero. Porém, é importante salientar que os valores de atendimento fornecidos por esse método são maiores que os reais, já que o método não considera que, em dias com grandes precipitações, o volume do limita a quantidade de água armazenada antes de a mesma ser consumida. REFERÊNCIAS DORNELLES, F. (2012) Aproveitamento de água de chuva no meio urbano e seu efeito na drenagem pluvial. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. MAY, S. (2004) Estudo da viabilidade do aproveitamento de água de chuva para consumo não potável em edificações. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, COHIM, E.; GARCIA, A.; KIPERSTOK, A. (2008) Captação e aproveitamento de água de chuva: dimensionamento de s. In Anais do IX Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, Salvador, Nov. 2008, 1, pp TOMAZ, P. (2005) Água de chuva: aproveitamento de água de chuva para áreas urbanas e fins não potáveis. NAVEGAR São Paulo- SP. p ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1989) NBR 10844: instalações prediais de águas pluviais. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2005) NBR Avaliação de custos de construção para incorporação imobiliária e outras disposições para condomínios edilícios. Rio de Janeiro. PORTO ALEGRE (2004) Departamento Municipal de Água e Esgotos. Decreto n. 9369/88, de 03 de março de Regulamenta a Lei Complementar n. 170, de 31 de dezembro de 1987, alterada pela Lei Complementar n. 180, de 18 de agosto de 1988 que estabelece normas para instalações hidrossanitárias e serviços públicos de abastecimento de água e esgotamento sanitário prestados pelo Departamento Municipal de Água e Esgotos. Porto Alegre, XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8