UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL. Cristina Miola

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Cristina Miola PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR Santa Maria, RS 2017

2 Cristina Miola PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM/RS), como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheira Civil Orientadora: Profª Drª. Rutinéia Tassi Santa Maria, RS 2017

3 Cristina Miola PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM/RS), como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheira Civil Aprovado em 14 de junho de 2017: Rutinéia Tassi, Dra. (UFSM) (Orientadora) Geraldo Rampelotto, Me. (UFSM) Leandro Conceição Pinto, Dr. (UFSM) Santa Maria, RS 2017

4 AGRADECIMENTOS Agradeço a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram tanto na conclusão deste trabalho como na minha formação pessoal e profissional nos últimos anos. Especialmente, agradeço: - Aos meus pais, Sérgio Miola e Claire Bernardon Miola pelo amor e educação, e às minhas irmãs, Emanuele Miola e Juliana Miola por sempre estarem ao meu lado; - À Prof. Dra. Rutinéia Tassi, pela orientação neste trabalho e conhecimento transmitido; - A todo o corpo docente do curso pelo conhecimento adquirido durante a graduação; - Ao meu namorado, Lauri Junior Moreira, pelo amor e companheirismo, e pelas conversas e sugestões que me auxiliaram no desenvolvimento deste trabalho; - Aos colegas de graduação e aos amigos que fiz ao longo desse período pelas experiências compartilhadas e pelos divertidos momentos vividos.

5 RESUMO PROPOSTA E ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA DA AGREGAÇÃO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA AO AQUECIMENTO DE ÁGUA EM RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR AUTORA: Cristina Miola ORIENTADORA: Rutinéia Tassi O aquecimento de água no setor residencial é responsável por uma importante parcela do consumo nacional de energia, sendo suas principais fontes a eletricidade, seguida do gás liquefeito de petróleo. Uma alternativa em substituição às fontes convencionais de energia é o aproveitamento da energia solar térmica que se constitui em uma fonte abundante, não poluente e gratuita. Como vantagens da utilização da energia solar de forma intensiva, destacam-se a possibilidade de redução de problemas ambientais decorrentes da geração de energia não sustentável, além da economia aos seus usuários e também ao país. Nesse contexto, objetivou-se com esse trabalho analisar a viabilidade técnica e econômica da instalação de um sistema de aquecimento de água para uma residência unifamiliar, composto por placas coletoras solar e reservatório térmico, complementado pelo apoio de um sistema de aquecimento de passagem a gás. O resultado dessa análise foi comparado com indicadores obtidos para o uso do aquecedor de passagem a gás. Para o dimensionamento do sistema solar foram considerados parâmetros da norma técnica NBR 15569/2008, enquanto para a análise do aquecimento de passagem foram utilizadas as características do aquecedor já instalado na edificação. A partir das características do projeto foi realizado o fluxo de caixa dos gastos e economias, para prosseguir com a aplicação dos métodos do payback, taxa interna de retorno e valor presente líquido para verificar a viabilidade econômica. Foi considerada uma taxa mínima de atratividade equivalente à rentabilidade de uma aplicação na poupança. A partir dos resultados se concluiu que o sistema de aquecimento solar tem seu retorno de investimento e Valor Presente Líquido positivo em 7 anos e 10 meses, confirmando a viabilidade econômica do sistema. Palavras-chave: Energia solar. Aquecimento de água. Coletor solar.

6 ABSTRACT PROPOSAL AND ANALYSIS OF ECONOMIC VIABILITY OF AGGREGATION OF SOLAR THERMAL ENERGY TO WATER HEATING IN A SINGLE-FAMILY RESIDENCE AUTHOR: Cristina Miola ADVISOR: Rutinéia Tassi Water heating in the residential sector accounts for a large share of the national energy consumption, with its main sources being electricity, followed by liquefied petroleum gas. An alternative to conventional energy sources is the use of solar thermal energy, which is an abundant, non-polluting and free source. The advantages of using solar energy intensively include the possibility of reducing environmental problems resulting from the generation of unsustainable energy, as well as saving to its users and to the country. In this context, the objective of this work was to analyze the technical and economic viability of the installation of a water heating system for a single-family residence, composed of solar collector plates and thermal reservoir, complemented by the support of a gas heating system. The result of this analysis was compared with the indicators obtained for the use of the gas heater. For the design of the solar system, the parameters of technical standard NBR 15569/2008 were considered, while the characteristics of the heater already installed in the building were used for the analysis of pass heating. Based on the characteristics of the project, the cash flow of the expenditures and savings was carried out in order to proceed with the application of the payback methods, internal rate of return and net present value to verify economic viability. A minimum rate of attractiveness was considered equivalent to the profitability of an application in saving. From the results it was concluded that the solar heating system has its return on investment and positive net present value in 7 years and 10 months, confirming the economic viability of the system. Keywords: Solar energy. Water heating. Solar collector.

7 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Instalação de um sistema solar de aquecimento de água Figura 2 Coletores Solares Figura 3 Corte transversal esquemático de um coletor solar plano Figura 4 Esquema de transferência de calor num coletor solar de tubos de vácuo Figura 5 Curvas de eficiência de coletores em função da temperatura Figura 6 Distribuição de coletores por tipo no mundo em Figura 7 Capacidade Instalada nos 10 maiores mercados de aquecedores solares em Figura 8 Orientação geográfica dos coletores solar Figura 9 Recomendação de orientação dos coletores em relação ao Norte Figura 10 Ângulo de inclinação dos Coletores Figura 11 Esquema de ligações entre coletores Figura 12 Reservatório Térmico de Alumínio Figura 13 Instalação em termossifão Figura 14 Configurações utilizadas para sistema auxiliar de aquecimento Figura 15 Esquema de funcionamento de um aquecedor de passagem Figura 16 Localização de Lagoa Vermelha no Rio Grande do Sul Figura 17 Vista de Localização da residência no município de Lagoa Vermelha Figura 18 Aquecedor de passagem instalado Figura 19 Bomba pressurizadora Figura 20 Vista Frontal SAS Figura 21 Vista em Corte SAS Figura 22 Vista Isométrica SAS Figura 23 Esquema representativo da ligação com válvula desviadora termostática Figura 24 Esquema de instalações hidráulicas complementares

8 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Temperatura média mensal em Lagoa Vermelha Quadro 2 Consumo diário de água quente Quadro 3 Despesas totais de instalação do sistema SAS Quadro 4 Despesas com gás Quadro 5 Valores obtidos de fluxo de caixa... 49

9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivos Gerais Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA (S.A.S) COLETOR SOLAR Coletores Fechados Planos e Coletores de Tubo a Vácuo para fins sanitários Condições de Instalação dos Coletores Associação de Coletores RESERVATÓRIO TÉRMICO CIRCULAÇÃO DE ÁGUA NO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DA ÁGUA FONTE AUXILIAR DE ENERGIA Aquecedores a gás DIMENSIONAMENTO DE UM S.A.S FRAÇÃO SOLAR ANÁLISE DE INVESTIMENTO Valor Presente Líquido Taxa Interna de Retorno Payback METODOLOGIA ÁREA DE ESTUDO CONCEPÇÃO DO PROJETO S.A.S DIMENSIONAMENTO ANÁLISE ECONÔMICA RESULTADOS CONFIGURAÇÃO PROPOSTA PARA O S.A.S DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR Volume Diário de Água Quente Consumida Cálculo do Volume de Armazenamento Cálculo da Área Coletora INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS COMPLEMENTARES ANALISE ECONÔMICA CONCLUSÃO LIMITAÇÕES...52 REFERÊNCIAS...53 ANEXO A...56 ANEXO B...57 ANEXO C...58

10 10 1 INTRODUÇÃO O desenvolvimento global acompanhado da crescente exploração dos recursos naturais tem alertado o mundo para a necessidade do uso de fontes alternativas de energia. Diante disso, é possível antever cenários de um futuro com ampla utilização da energia solar, no qual o Brasil tem capacidade de se tornar referência mundial. Praticamente todas as regiões do país recebem mais de 2200 horas de insolação, potencial que equivale a 15 trilhões de MWh (ABRAVA, 2008). Esse valor é muito maior que o consumo nacional de eletricidade de acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) em 2016 o consumo total de energia elétrica foi de GWh. Porém, o Brasil ainda tem um baixo nível de aproveitamento do potencial energético renovável, inclusive no que se refere aos sistemas solares de aquecimento de água. Conforme o Balanço Energético Nacional (BEN, 2016), com os dados relativos a 2015, o setor residencial consome 9,6% da energia gerada no país; dentro deste setor, destacam-se como principais fontes de energia a eletricidade (45,2%) e o gás liquefeito de petróleo (26,2%). De acordo com a ELETROBRÁS (2012), estima-se que a participação do chuveiro elétrico no consumo residencial de energia seja em torno de 24%; em uma residência pequena com quatro moradores esse consumo pode representar até 45% nos meses mais frios e 30% quando a potência do chuveiro pode ser reduzida em um período mais quente. Nas habitações brasileiras, a utilização dos chuveiros elétricos é bastante disseminada seu uso se intensificou a partir da década de 70, devido à crise do petróleo e estímulo ao uso da energia elétrica (ABRAVA, 2008). Estes equipamentos são produzidos em larga escala e possuem baixo custo inicial, porém ao longo de sua vida útil representam elevadas demandas para o setor elétrico. Outro método comum de aquecimento da água ocorre a partir de aquecedores a gás (GN ou GLP), destacando-se o uso de GLP que, conforme BEN (2016), é mais presente no segmento residencial do que o GN. Ainda, de acordo com dados do BEN (2016) a relação de preços eletricidade residencial/glp é de 2,6. Como o custo da tarifa de energia elétrica residencial é maior comparada ao custo do GLP a opção pela energia a gás é interessante economicamente. Contudo, a ideia de um sistema de aquecimento fundamentada na alternativa mais correta e vantajosa em termos socioeconômicos e ambientais se configura no sistema híbrido de energia solar, no qual gás ou eletricidade são apenas fontes de apoio.

11 11 O mercado mundial de aquecedores solares de água cresceu significativamente durante os anos 90 e, como resultado, houve a melhoria da qualidade de equipamentos e preços cada vez mais acessíveis (ABRAVA, 2008). Hoje essa tecnologia está bem desenvolvida e proporciona um sistema eficiente, com baixo custo de manutenção, além de fazer uso de uma fonte limpa, gratuita e inesgotável de energia. Ainda assim, conforme MUND (2014), o emprego de coletores solares é relativamente baixo no Brasil. RODRIGUES & MATAJS (2005), afirmam que uma das barreiras para a difusão de sua utilização nas habitações brasileiras deve-se ao fato do investimento inicial dos coletores solares ser maior que outros sistemas. Entretanto, pesquisas em vários países comprovam a viabilidade técnico-econômica do uso dos aquecedores solares em relação as opções de aquecimento elétrico e a gás. (CRAWFORD; TRELOAR, 2004; KALOGIROU, 2009; OLIVEIRA et al., 2008; apud Altoé et al, 2012). O uso de coletores solares se tornou obrigatório mundialmente por meio de promulgações de leis, normas e programas de certificação energética (CASALS, 2006 apud ALTOÉ et al, 2012). No Brasil existem projetos e programas de incentivo ao uso de energia solar entre eles projetos de leis e resoluções que variam de nível nacional a municipal (LUSA,2015). Algumas cidades que possuem leis de incentivo ao uso da energia solar para aquecimento de água são: Varginha (MG), São Paulo (SP), Peruíbe (SP), Avaré (SP), Juiz de Fora (MG) e Birigui (SP). Nestas, o esforço ocorre através da obrigatoriedade do uso de aquecedores solares em novas edificações (com ênfase na edificação de interesse social e em edificações públicas) e da criação de programas de incentivos fiscais. (NASPOLINI, 2012). Em São Paulo, por exemplo, a lei , aprovada em 2007, determina a utilização obrigatória de aquecedores solares de água no caso de edificações com quatro ou mais banheiros e a instalação obrigatória da estrutura para receber o sistema solar térmico em novas edificações (SÃO PAULO, 2007). No contexto mundial, percebe-se a importância cada vez maior de se fazer uso da energia solar como forma de diminuir a dependência da eletricidade e de combustíveis fosseis. Tendo em vista que o Brasil tem um grande potencial para aproveitamento dos recursos solares e pode otimizar os recursos energéticos, a informação e conhecimento técnico a respeito são necessários para incorporar largamente a energia térmica solar nas residências brasileiras.

12 OBJETIVOS Objetivos Gerais O objetivo geral do trabalho é realizar uma análise da viabilidade técnica e econômica de um sistema de aproveitamento da energia solar para aquecimento de água em uma residência unifamiliar, complementando um sistema de aquecimento existente, constituído por um aquecedor de passagem a gás, o qual servirá como fonte auxiliar Objetivos Específicos São objetivos específicos do trabalho: a) Apresentar os fundamentos do sistema de aquecimento solar, abordando suas características, etapas de dimensionamento e componentes; b) Apresentar a concepção e o detalhamento do projeto, assim como os custos envolvidos para a utilização da energia solar no aquecimento de água em uma residência unifamiliar; c) Analisar a viabilidade econômica do projeto a partir dos métodos do payback, taxa interna de retorno e valor presente líquido. 1.2 JUSTIFICATIVA O uso de energia solar para aquecer a água é a alternativa que causa menos impacto no ambiente, colaborando com uma economia mais sustentável. A adoção massiva destes sistemas contribui para reduzir a dependência do setor elétrico assim como dos recursos não renováveis. O uso da energia solar térmica no setor residencial é uma solução em desenvolvimento no país. Há necessidade de maior número de profissionais capacitados para atender a demanda e melhor conhecimento sobre dimensionamento assim como de informações técnicas a respeito. (ABRISNTALL; COMGÁS, 2011). O Brasil tem um baixo índice de aproveitamento da energia solar térmica e um grande potencial de crescimento. Estima-se que os coletores solares estejam presentes em 5% das residências brasileiras, representando em torno de 1,2% da matriz elétrica nacional (DASOL, 2014). A informação e conscientização da sociedade quanto as vantagens financeiras e sociais

13 13 contribuem para o interesse na utilização da tecnologia solar. O conhecimento técnico também é uma forma de difundir o interesse em autoridades públicas e aumentar a inclusão em novos projetos sociais (LUSA, 2015).

14 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA (S.A.S) A NBR (2008, p.4) define o sistema de aquecimento solar como um sistema composto por coletor(es) solar(es), reservatório(s) térmico(s), aquecimento auxiliar, acessórios e suas interligações hidráulicas que funciona por circulação natural ou forçada. A Figura 1 ilustra os componentes básicos desse sistema. Figura 1 Instalação de um sistema solar de aquecimento de água. Fonte: Metálica (2017) De forma simplificada, esse funcionamento ocorre através das seguintes etapas: captação da energia solar; transferência da energia para o fluído; armazenamento da energia térmica e distribuição da água aquecida para o sistema. Nas etapas de conversão e armazenamento da energia térmica os coletores e o reservatório trabalham em conjunto, enquanto as tubulações e acessórios hidráulicos são os elementos principais na distribuição da água aquecida no sistema (MATAJ, 2010).

15 COLETOR SOLAR O coletor solar consiste no elemento principal do sistema. Para a ABRAVA (2008, p.36) o coletor solar é, basicamente, um dispositivo que promove o aquecimento de um fluído de trabalho, como a água, ar ou fluído térmico, através da conversão da radiação eletromagnética proveniente do sol em energia térmica. Conforme a NBR (2008, p.8), os coletores solares devem possuir sua curva de eficiência térmica instantânea para a aplicação pretendida de forma a permitir o dimensionamento da área coletora. Para garantir o bom comportamento térmico do Sistema de Aquecimento Solar (S.A.S) a seleção dos coletores deve considerar a temperatura e aplicação do fluído aquecido. Além disso, eles devem ser resistentes às condições externas do meio (clima, intempéries, etc.), e serem eficientes na conversão de energia compatível com o uso (ABRISNTALL; COMGÁS, 2011). No mercado existem diversos modelos de coletores solares disponíveis, com características e desempenhos diferentes que atendem a usos distintos: coletores fechados planos, abertos planos e de tubos de vácuo (Figura 2). Figura 2 Coletores Solares. Fonte: ABRAVA (2008)

16 Coletores Fechados Planos e Coletores de Tubo a Vácuo O coletor solar plano é constituído por uma caixa metálica de forma retangular, com uma cobertura transparente de plástico ou lâmina de vidro, que envolve uma placa absorsora. A placa consiste em uma chapa metálica (em alumínio ou cobre) com revestimento preto fosco que absorve a radiação transferindo a energia para o fluído no interior dos tubos unidos à placa. O coletor solar plano (Figura 3) possui isolamento térmico na parte inferior e nas laterais, normalmente constituído de poliuretano expandido ou lã de vidro, para reduzir perdas de calor. Figura 3 Corte transversal esquemático de um coletor solar plano Fonte: Ribeiro (2014) Os coletores de tubo a vácuo são caracterizados pelo isolamento a vácuo que faz com que o coeficiente de perdas térmicas seja reduzido em relação ao coletor plano. Quando a radiação é absorvida, ela aquece a água ou fluído de trabalho, que se encontra dentro de um tubo de cobre, e então vaporiza e se dirige até a parte superior do tubo, onde se encontra o condensador. A água fria que circula no sistema, acima do conjunto de tubos absorve o calor fornecido por estes condensadores (DUARTE, 2012). O esquema de transferência de calor pode ser observado na Figura 4. Entre a superfície absorvedora da radiação e o meio externo há um tubo de vidro que proporciona o isolamento a vácuo. O isolamento a vácuo minimiza as perdas térmicas por convecção e condução. Além disso, segundo Manea (2012), a troca de calor por radiação nestes coletores também é minimizada, devido a superfície absorvedora ter baixa emissividade. Devido a essas características, são mais empregados em países de climas mais frios.

17 17 Figura 4 - Esquema de transferência de calor num coletor solar de tubos de vácuo. Fonte: Duarte (2012) Em um estudo comparativo sobre a aplicabilidade de coletores solares com tubo a vácuo no Brasil, Rosa (2012, p.47) conclui que os coletores tubulares ocupam uma área maior que os coletores planos para a mesma área absorvedora e o rendimento extra que os mesmos possuem não justifica a maior área ocupada na maioria das regiões do país. Como a diferença de custo para a mesma área absorvedora é maior para um coletor de tubos, pode-se obter um desempenho equivalente, com o mesmo custo, ao empregar-se um número maior de coletores planos, em climas moderados (ROSA, 2012, p.48). Dessa forma, tanto os coletores fechados planos quanto os coletores de tubo a vácuo são modelos utilizados no aquecimento de água para fins sanitários. Já os coletores abertos são utilizados apenas no aquecimento de água para piscinas. Esses coletores, são normalmente de plástico ou borracha, e não possuem vidro, pois trabalham com temperaturas menores. Pode-se verificar o melhor tipo de coletor para um uso em específico através da análise das curvas de eficiência, que variam com a temperatura da água, conforme a Figura 5:

18 18 Figura 5 Curvas de eficiência de coletores em função da temperatura. Fonte: Mataj (2010) Observa-se na Figura 5 que o desempenho dos coletores diminui para maiores temperaturas da água. No início de operação os coletores abertos apresentam um rendimento próximo a 90%, mas à medida em que aumenta a diferença de temperatura da água, ou seja, quanto mais calor vai sendo cedido a água, o rendimento diminui, chegando a zero quando a diferença atinge 60 o C. Já os coletores fechados têm sua curva de eficiência próxima a 80% no início de operação e seu rendimento é quase zero quando a diferença de temperatura é de 140 o C. Os coletores a vácuo mantem a curva de eficiência constante para diferença de temperatura de até 50 o C e, a partir desse momento, diminuem seu rendimento. Segundo Mataj (2010), esse comportamento estável dos coletores de tubos de vácuo se justifica, pois não ocorrem perdas térmicas para o ambiente como ocorre nos outros coletores. A partir do gráfico observa-se que para o aquecimento de piscinas, o coletor aberto pode ser utilizado, enquanto no aquecimento para banho sua eficiência é baixa. Para fins sanitários, deve-se empregar o coletor com tubo de vácuo ou coletor plano com cobertura. Para o aquecimento de água em processos industriais, o coletor com tubo de vácuo é o indicado pois trabalha com a maior eficiência.

19 19 Os coletores fechados planos apresentam eficiência satisfatória para a maioria das regiões do país, de clima tropical. Apenas para a região sul do país, onde as temperaturas são baixas no inverno, o emprego do coletor com tubo de vácuo pode ser vantajoso pois trabalha com maior eficiência em clima frio devido ao seu isolamento térmico. De acordo com os dados da IEA (International Energy Agency), os coletores com tubo a vácuo representam a tecnologia mais utilizada de coletores solares no mundo, conforme Figura 6: Figura 6 Distribuição dos coletores por tipo no mundo em Fonte: IEA (2016) O alto percentual dos coletores a vácuo se deve principalmente pela utilização dessa tecnologia em larga escala na China. Em contrapartida, no Brasil os coletores solares planos ainda são os mais empregados. Os coletores abertos, destinados ao aquecimento de piscina, dominam os mercados americano e australiano. O Brasil ocupa a 5 a posição, com geração de energia equivalente a GWth, de acordo com a Figura 7:

20 20 Figura 7 Capacidade instalada nos 10 maiores mercados de aquecedores solares em Fonte: IEA (2016) Condições de Instalação dos Coletores Alguns aspectos quanto a orientação e inclinação dos coletores devem ser observados para o melhor aproveitamento da radiação solar. O item da NBR sugere que a instalação dos coletores seja feita com direção ao Norte geográfico e desvio máximo de até 30 o, para Leste ou Oeste, como mostra a Figura 8: Figura 8 Orientação geográfica dos coletores solar Fonte: NBR

21 21 Um desvio para o Leste adianta a captação em uma hora a cada 15 o de desvio, enquanto um desvio para o Oeste atrasa o período de captação na mesma proporção, porém, há uma melhora do rendimento pois a temperatura ambiente é mais alta à tarde. A captação diária da radiação solar consequentemente diminui com o aumento do desvio. Ao utilizar desvios maiores de 30 o faz-se necessário um acréscimo do número de coletores para se obter um desempenho mais próximo do que seria com os coletores favoravelmente orientados ao Norte, conforme Figura 9 (ABRAVA, 2008). Figura 9 Recomendação de orientação dos coletores em relação ao Norte. Fonte: ABRAVA (2008) Para a inclinação do coletor, conforme o item da NBR , é sugerido que o ângulo de inclinação seja igual ao da latitude local, acrescido de 10 o C, e que não seja inferior a 15 o C, como mostra a Figura 10.

22 22 Figura 10 Ângulo de inclinação dos Coletores. Fonte: NBR (2008) Além disso, são necessários alguns cuidados quanto ao suporte metálico, quando utilizado, e sombreamento. Deve-se garantir que a estrutura de suporte seja resistente a corrosão e intempéries, assim como, resista a carga do vento, sem comprometer a estrutura do local. Também, é importante estar atento quanto a localização dos coletores de forma que seja evitado o sombreamento que pode ocorrer entre os próprios coletores ou devido a construções vizinhas, árvores, e outros obstáculos que possam existir. (ABRAVA, 2008) Associação de Coletores Os coletores podem ser associados em série, paralelo ou de forma mista, conforme observado na Figura 11. A forma como os coletores serão associados é importante aspecto a ser considerado pois está relacionada a eficiência do sistema. O arranjo hidráulico ideal deve oferecer menor perda térmica e assegurar perda de carga reduzida (MATAJS, 2010). Figura 11 Esquema de ligações entre coletores. Fonte: ABRAVA (2008)

23 23 Na ligação em série há um único ponto de entrada e saída de água e o aquecimento ocorre de forma gradual. É obtida uma temperatura maior na saída do sistema devido ao maior tempo de percurso da água dentro dos coletores. Porém, à medida em que se aumenta o número de coletores em série o rendimento de cada coletor diminui devido à elevação da temperatura e redução da troca de calor. Recomenda-se o valor máximo de três associações em série. Na ligação em paralelo a temperatura em todos os coletores é a mesma. Esse tipo de conexão tem menor perda de carga e maior rendimento. Para grandes volumes de água é feita associação em série e paralelo a fim de otimizar o sistema quanto a vazão e eficiência. 2.3 RESERVATÓRIO TÉRMICO O reservatório térmico, ou boiler como também é chamado, tem a função de armazenar a água quente proveniente dos coletores. É dimensionado para garantir a demanda diária de água quente consumida. Internamente deve ser constituído de materiais que resistam a altas temperaturas e à corrosão. Normalmente, são utilizados tanques de aço inoxidável, cobre ou material polimérico, revestidos com isolamento térmico para impedir a troca de calor entre a água aquecida e o meio externo, conforme a Figura 12. Entre os isolantes frequentemente empregados estão as mantas de lã de vidro ou de rocha e o poliuretano expandido. A proteção externa é feita pelo revestimento em alumínio ou aço inox, que tem boa resistência mecânica.

24 24 Figura 12 Reservatório Térmico de Alumínio. Fonte: Hidrau Center ÁGUA 2.4 CIRCULAÇÃO DE ÁGUA NO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DA A circulação da água nos sistemas de aquecimento solar pode ocorrer em duas configurações diferentes: sistema ativo e sistema passivo. No sistema ativo há circulação forçada da água, que ocorre a partir da interposição de uma bomba entre o coletor e o reservatório. É necessário em sistemas de grandes volumes e também quando há impossibilidade da instalação dos coletores em um plano abaixo do reservatório. Um exemplo da utilização desse tipo de sistema ocorre em instalações de aquecimento solar para piscinas. No sistema passivo, ou de termossifão, a circulação ocorre naturalmente por correntes de convecção que se formam devido à diferença de temperatura no circuito. Assim, o fluxo de aquecimento é provocado pela diferença de densidade entre a água fria e quente. Dessa forma, o sistema de aquecimento por termossifão é mais simples e opera com menos elementos que o de circulação forçada, pois não necessita de moto bomba para movimentar a água. Conforme Mataj (2010), em instalações unifamiliares o uso de termossifão é recomendado e funciona perfeitamente, porém, é necessário garantir os desníveis que favorecem essa circulação.

25 25 Assim, para que ocorra a circulação natural deve-se ter alguns cuidados em relação ao posicionamento e a diferença de níveis dos componentes. É necessário que o reservatório térmico seja instalado em nível inferior ao reservatório de água fria, e que o coletor solar esteja em nível inferior ao boiler para garantir o funcionamento por termossifão. Indica-se um desnível de, no mínimo, 15 cm entre o reservatório e o boiler para garantir a pressurização do sistema, enquanto a diferença de nível entre o topo dos coletores e a base do reservatório térmico deve ser de, no mínimo, 20 cm e no máximo 4,0m. A distância horizontal entre boiler e coletores deve permitir uma inclinação mínima da tubulação de 10% para evitar a formação de sifões e bolhas de ar. (ABRAVA, 2008). A Figura 13 ilustra as distâncias recomendadas: Figura 13 Instalação em termossifão. Fonte: ABRAVA (2008) sendo: Hs: Altura do suspiro em relação à tampa de água fria Hrr: Altura entre o fundo da caixa de água fria e reservatório térmico Hcr: Altura entre o fundo do reservatório térmico e o topo dos coletores Dcr: Distância entre o centro do reservatório térmico e o topo dos coletores

26 FONTE AUXILIAR DE ENERGIA De acordo com Lima (2003), os sistemas de aquecimento solar da água não são dimensionados para atender 100% da demanda de água quente, caso fossem, o dimensionamento das placas e do reservatório deveria ser feito para a pior situação possível e o projeto resultaria em um superdimensionamento para a maior parte do tempo de utilização. Para garantir o abastecimento de água quente em dias de baixa insolação solar, os sistemas de aquecimento solar necessitam de uma fonte auxiliar de energia. Conforme Lima (2003), o aquecimento auxiliar pode ser localizado internamente ou externamente ao reservatório. Quando externa pode ser de acumulação ou de passagem sendo o de passagem mais usual. A interligação entre sistema solar e a fonte auxiliar pode variar de lugar para lugar devido as características encontradas em cada edificação, perfil de consumo, necessidade de conforto, entre outras variáveis. A Figura 14 ilustra as formas mais comuns de disposição da fonte auxiliar de energia. Em (a), um aquecedor interno, normalmente uma resistência elétrica dentro do reservatório térmico. Em (b), uma ligação em série, com o aquecedor na linha de consumo. Em (c) o aquecedor opera em paralelo ao reservatório térmico Figura 14 - Configurações utilizadas para sistema auxiliar de aquecimento. Fonte: MANEA (2012) Geralmente em sistemas de pequeno porte utiliza-se uma resistência elétrica dentro do boiler, que consiste em uma configuração simples e com baixos custos. De acordo com Pozzebon (2009), a utilização de uma fonte elétrica é mais comum devido sua facilidade de aquisição e custo, porém estudos revelam que a combinação de energia solar e gás pode ser a mais eficiente para a maioria das aplicações.

27 Aquecedores a gás Os aquecedores a gás podem ser divididos em aquecedores de acumulação e de passagem (ou instantâneos). Nos aquecedores de água por acumulação, como o próprio nome sugere, a água é aquecida diretamente no reservatório e armazenada, podendo seu consumo ser de imediato ou posterior. O aquecimento é controlado através de um termostato que pode ser regulado conforme as necessidades do usuário (COMGÁS; ABRINSTAL,2011). Nos aquecedores de passagem a água é aquecida apenas quando seu uso é solicitado. São equipamentos compactos que tem como vantagem a facilidade de instalação e a necessidade de pouco espaço. Os aquecedores de passagem possuem um queimador interno o qual é acionado a partir do fluxo da água provocando o aquecimento da água que circula dentro do aparelho em um sistema de serpentina (Figura 15). Além disso, são constituídos de um sistema de controle de fluxo e segurança e um sistema de exaustão dos gases queimados para o meio externo. Para que o aquecedor funcione de forma eficiente, os dispositivos de controle de acionamento e bloqueio de água e gás trabalham a partir de uma pressão mínima (5 a 20 mca), o que demanda pressurização em casos onde há baixa pressão de água (CHAGURI, 2009). Figura 15 Esquema de funcionamento de um aquecedor de passagem. Fonte: Chaguri (2009)

28 28 A instalação dos aquecedores de passagem a gás deve estar em conformidade com as exigências da NBR 13103/2013. A norma estabelece que o aquecedor deve ser instalado em ambiente ventilado, possuir chaminé para exaustão entre outras providências que devem ser observadas: em ambientes fechados devem possuir grelha de ventilação nas portas voltadas para cozinha ou área de serviço e outra acima das janelas. 2.6 DIMENSIONAMENTO DE UM S.A.S Conforme a NBR (2008, p.28), o dimensionamento do sistema de aquecimento solar pode ser feito a partir das seguintes etapas: a) Determinação do Volume de Consumo para os vários pontos de utilização: Para determinar o volume de água consumido, deve-se verificar a vazão das peças de utilização, o tempo de utilização para cada e a frequência de uso diária. Os valores de referência podem ser encontrados no anexo A da referida norma técnica. É muito importante que essas informações sejam apuradas corretamente para que o sistema seja bem dimensionado, de forma a atender a demanda diária de consumo e evitar o problema de um superdimensionamento. Calcula-se o volume de consumo pela equação 1 (NBR 15569, 2008, p.28): V Consumo = Σ(Q pu T frequencia de uso) (1) sendo: V Consumo = Volume total de água quente consumido diariamente expresso em metros cúbicos (m 3 ); Qpu = Vazão da peça de utilização expressa em metros cúbicos por segundo (m 3 /s); Tu = Tempo médio de uso diário da peça de utilização expresso em segundos (s); Frequência de uso é o número total de utilizações da peça por dia. b) Cálculo do Volume de Armazenamento:

29 29 A partir do volume de água quente consumido, considerando-se os fatores de temperatura de armazenamento, consumo e ambiente, determina-se o volume do reservatório através da equação 2: V armaz. = V consumo (T consumo T ambiente ) (T armaz T ambiente ) (2) sendo: Vconsumo = volume de consumo diário, expresso em metros cúbicos (m 3 ) Varmaz = volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos (m 3 ) (sugere-se que Varmaz 75%Vconsumo); Tconsumo = temperatura de consumo de utilização, expressa em graus Celsius ( o C) (sugere-se que seja adotado 40 o C) Tambiente = temperatura ambiente média anual do local de instalação (ver anexo B). c) Cálculo da demanda de energia útil: A demanda de energia útil representa a energia necessária para o aquecimento de determinado volume de água, e é dada pela equação 3: E útil = V armaz ρ C ρ (T armaz T ambiente ) 3600 (3) sendo: E útil = energia útil, expressa em quilowatts hora por dia (kwh/dia); Varmaz = volume do sistema de armazenamento do SAS, expresso em metros cúbicos (m 3 ) (sugere-se que Varmaz 75%Vconsumo); ρ = massa específica da água igual a 1000, expressa em quilogramas por metro cúbicos (kg/m 3 ) C ρ = calor específico da água igual a 4,18, expresso em quilojoules por quilograma Kelvin (Kj/kg); Tarmaz = temperatura de armazenamento da água, expressa em grau Celsius ( o C) (sugere-se que Tarmaz Tconsumo)

30 30 Tambiente = temperatura ambiente média anual do local de instalação. d) Cálculo da área coletora O cálculo da área coletora tem por objetivo determinar o número de coletores que deve ser empregado para fornecer a energia necessária ao aquecimento do volume de água demandado. A área coletora é dada pela equação 4: A coletora = (E útil + E perdas ) FC instal 4,901 PMDEE I G (4) sendo: A coletora = área coletora, expressa em metros quadrados (m 2 ) E útil = energia útil, em quilowatts hora por dia (kwh/dia); E perdas = somatório das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário, expresso em quilowatts hora por dia (kwh/dia); calculada pela soma das perdas ou pela equação: E perdas = 0,15E útil I G = valor da irradiação global média anual para o local de instalação, expresso em quilowatts hora por metro quadrado dia (kwh/m 2.dia) (conforme anexo C). PMDEE = produção média diária de energia específica do coletor solar, expressa em quilowatts hora por metro quadrado (kwh/m 2 ), calculada através da equação 5: PMDEE = 4,901 (F rtα 0,0249 F rul ) (5) sendo: F rul = coeficiente de perdas do coletor solar (adimensional); F rtα = coeficiente de ganho do coletor solar (adimensional). FC instal = fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar dado pela eq. 6: FC instal = 1 1 [1, (β β ótimo ) 2 + 3, ɣ 2 ] (6)

31 31 (para 15 o < β < 90 o ) sendo: β = inclinação do coletor em relação ao plano horizontal, expressa em graus ( o ) β recomendado = inclinação ótima do coletor para o local de instalação, expressa em graus ( o ) ( sugere-se que seja adotado o valor de módulo da latitude local +10 o ); ɣ = ângulo de orientação dos coletores solares em relação ao norte geográfico, expresso em graus ( o ). 2.7 FRAÇÃO SOLAR Segundo MATAJ, (2010) A fração solar de um sistema de aquecimento solar descreve a fração de energia consumida para o aquecimento da água que foi fornecida pelo sistema solar ao longo do ano. Dessa forma, a fração solar representa a economia esperada com a implementação do sistema, e sua consideração é de fundamental importância no cálculo de viabilidade econômica. Conforme Luchini (2007, apud Magagnin 2010) a fração solar varia em função das condições climáticas locais, da temperatura de armazenamento desejada, dos parâmetros de projeto, do coletor selecionado e da demanda específica de energia. MATAJ (2010) afirma que uma solução prática é adotar um valor de fração solar que, além de atender as especificações técnicas da Norma , proporcione o retorno do investimento ao cliente. Para Rodrigues (2010 apud Coelho, 2011) a fração solar ideal deve ficar entre 60 e 80%. Por outro lado, Aita (2006 apud Manea, 2012) recomenda que o valor esteja na faixa de 50 a 80%. Não há consenso quanto a um valor fixo para este fator, em cada caso o valor é diferente, e depende de inúmeros fatores (MANEA, 2012). Como exemplo, a NBR (2008) adota para dimensionamento de cálculos o valor de 70% para fração solar. 2.8 ANÁLISE DO INVESTIMENTO Existem diversos custos envolvidos com a aquisição e implementação de um sistema de aquecimento solar. É de fundamental importância avaliar os efeitos econômicos resultantes desse investimento a fim de verificar sua viabilidade. Para isso, faz-se a análise do investimento, que, conforme Kuhnen e Bauer (1996), consiste em um conjunto de técnicas

32 32 que permitem a comparação entre os resultados de tomada de decisões referentes a alternativas diferentes de uma maneira científica. Segundo Macedo (2014, p.56), Os métodos mais utilizados, com base no fluxo de caixa dos projetos, são: Período de Payback simples, Período de Payback descontado, Taxa Interna de Retorno (TIR) e Valor Presente Líquido (VPL) Valor Presente Líquido Conforme Souza e Clemente (2009), o valor presente líquido é a concentração de todos os valores esperados de um fluxo de caixa na data zero. Calcula-se o valor presente de uma série de pagamentos e recebimentos a uma taxa conhecida. Essa taxa é denominada taxa mínima de atratividade (TMA) e refere-se ao retorno mínimo que deve ser obtido por um projeto. (Ferreira, ca.2015). Gitman (1992), afirma que os ganhos de um projeto podem ser representados tanto por entradas de caixa, quanto por economia obtida em função da implantação, por isso vale avaliar o custo benefício do projeto de investimento. O cálculo do VPL é dado pela equação 7: n VPL(i) = FC t (7) (1 + i) t t=0 sendo: t = período (anos ou meses); n = tempo total projeto (anos ou meses); i = taxa mínima de atratividade (TMA); FC(t) = fluxo caixa por período Um VPL positivo indica um projeto com lucro. Um VPL negativo significa que o retorno do projeto será menor que o investimento inicial, indicando prejuízo. Já um VPL igual a zero significa que o projeto se paga, sem lucro, nem prejuízo.

33 Taxa Interna de Retorno A taxa interna de retorno é a taxa que iguala o VPL a zero. A TIR é obtida internamente no projeto a partir dos fluxos de caixa esperados. Quando a TIR é maior que a TMA, o projeto é viável Payback Gitman (2002) define o Payback como o período de tempo necessário para recuperar o capital investido. Conforme Ferreira [ca.2015], podemos acumular os fluxos de caixa a fim de encontrar o período em que o investimento é recuperado. Considera-se que o projeto é viável quando o prazo para recuperar o capital investido for menor que o prazo desejado, com o qual se trabalha. Há duas abordagens desse método: Payback Simples: nesse modelo considera-se o valor que foi investido sem considerar o valor do dinheiro no tempo. Payback descontado: Utiliza uma taxa de desconto, em geral a TMA, antes de se efetuar a soma dos fluxos de caixa. Os fluxos de caixa são descontados por essa taxa em relação ao período referente. Dessa forma, considera o valor do dinheiro no tempo.

34 34 3 METODOLOGIA 3.1 ÁREA DE ESTUDO O objeto de estudo deste trabalho é uma moradia unifamiliar, pertencente ao município de Lagoa Vermelha, norte do estado do Rio Grande do Sul. Através das figuras 16 e 17, pode-se observar a localização de Lagoa Vermelha no estado e da residência no município: Figura 16 Localização de Lagoa Vermelha no Rio Grande do Sul. Fonte: Google Maps (2017).

35 35 Figura 17 Vista de Localização da residência no município de Lagoa Vermelha. Fonte: Google Maps (2017). A cidade está localizada a -28 o de latitude e -51 o de longitude e, conforme os dados climáticos (Quadro 1), apresenta uma média anual de temperatura de 18,7 o C. Entretanto, no inverno, as baixas temperaturas são características na região e a mínima pode chegar próximo a zero ou mesmo atingir temperaturas negativas. Quadro 1 Temperatura média mensal em Lagoa Vermelha. Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T o C 22,6 22,2 21,3 18,7 15,2 13,8 13,3 15,3 16,5 18,8 20,4 22,1 Fonte: Adaptado de Retscreen International (2016). 3.2 CONCEPÇÃO DO PROJETO S.A.S. Com a finalidade de identificar os equipamentos que fazem uso da água quente e fazer o levantamento de dados para a elaboração do projeto, foram realizadas visitas técnicas à residência. A moradia já conta com um sistema de aquecimento de água constituído por um aquecedor de passagem que utiliza GLP, da marca Rinnai, apresenta rendimento de 84,3% e capacidade de vazão de 35 l/min (Figura 18). O sistema atende à demanda de água quente para uma família de quatro pessoas e abastece dois lavatórios e um chuveiro.

36 36 De acordo com as recomendações de instalação, o aquecedor está conectado por chaminé de exaustão em ambiente com ventilação permanente através de báscula superior, abertura inferior e com a possibilidade da contribuição da ventilação da janela. Figura 18 - Aquecedor de passagem instalado. Fonte: Autora (2017). Na saída de água quente do aquecedor inicia a distribuição de água quente até os pontos de consumo sobe até a cobertura e deriva em prumadas alimentando os pontos de consumo. A temperatura de consumo é regulada a partir de misturadores nos pontos de utilização, que agregam água fria para obter a temperatura desejada. Na entrada do aquecedor de passagem, há uma bomba que fornece a pressão necessária para o seu funcionamento (Figura 19).

37 37 Figura 19 Bomba pressurizadora. Fonte: Autora (2017). Para conhecer o consumo de água quente, verificou-se a capacidade de vazão indicada no próprio chuveiro e as informações quanto ao tempo de uso e frequência foram fornecidas pelos proprietários. Para os lavatórios utilizou-se os parâmetros da NBR /2008, conforme anexo A. Nessa etapa, também se observou as condições estruturais e de espaço, para determinar aspectos de posicionamento e disposição dos componentes do sistema DIMENSIONAMENTO Obtidos os dados necessários, foram definidas a configuração do sistema a ser instalado e suas características para atender a demanda. O dimensionamento foi realizado conforme as equações 1 a 5, descritas no capítulo 2, item ANÁLISE ECONÔMICA Após o dimensionamento, estimou-se as despesas de investimento para a análise econômica. Com base nos preços praticados na região, foram levantados os custos de mão-deobra da instalação do S.A.S, custo das placas coletoras, reservatório térmico, conexões hidráulicas, frete, em loja de Sananduva, e o preço do G.L.P em Lagoa Vermelha.

38 38 Para a verificação da viabilidade econômica do projeto foi utilizado o modelo de Payback, TIR (Taxa de retorno do Investimento) e VPL (Valor presente líquido), descritos no item 2.9 do capítulo 2. A análise foi feita para o tempo de durabilidade dos coletores, garantido pelo fabricante. Foi considerada uma taxa mínima de atratividade equivalente à rentabilidade de uma aplicação na poupança baseada na sua variação durante os últimos 12 meses. Para o estudo da viabilidade foi definida uma fração solar igual a 70%, mesmo valor adotado na NBR (2008). Ou seja, considerou-se que após a instalação dos coletores, o consumo de gás como fonte auxiliar de energia será responsável por 30% do fornecimento, havendo uma redução de 70% no consumo de gás. Para o cálculo do valor mensal gasto com gás com e sem o sistema de aquecimento solar, foi necessário determinar o preço do GLP por kg. Para tanto, pesquisou-se o preço do GLP nas revendas de Lagoa Vermelha, de um botijão P-45, que tem 45kg de gás liquido, e esse valor foi dividido pelo seu peso, obtendo-se o valor unitário. Ainda, a equivalência energética de 1kg de GLP, conforme a COMGÁS (2014), é de 12,9kWh. Com esses dados, foi possível determinar quantos quilos de GLP devem fornecer a energia mensal demandada para o aquecimento da água. Além disso, um importante detalhe a considerar é o rendimento do aquecedor de passagem, já que parte da energia produzida é dissipada. O rendimento foi verificado no próprio equipamento.

39 39 4 RESULTADOS 4.1 CONFIGURAÇÃO PROPOSTA PARA O S.A.S. O sistema proposto funciona por termossifão pois a estrutura da cobertura apresenta as características para suportar as cargas adicionais e espaço suficiente para atender as dimensões mínimas necessárias entre os componentes, permitindo a circulação natural. As Figuras 20 a 22 apresentam um esquema da instalação proposta para a edificação. O tipo de coletor solar escolhido para o dimensionamento foi o modelo de placas planas, devido à ampla oferta no país e tecnologia consolidada, com variedade de marcas certificadas pelo INMETRO. Foi considerada a ligação paralela entre os coletores, que é a mais apropriada para a instalação em residências unifamiliares, pois permite um maior rendimento e menor perda de carga no sistema. Os coletores solares foram orientados com um desvio em relação ao Norte de 23 o para Leste e inclinação com referência ao plano horizontal de 28 o. Posicionou-se o reservatório térmico apoiado em suporte sobre a laje da residência, em nível abaixo do reservatório de água fria e acima do plano dos coletores, respeitando distancias mínimas e máximas para a recirculação natural da água, conforme apresentado na Figura 21. Além disso, um dispositivo necessário na instalação é a válvula anti-congelamento. Nas localidades com incidência de geadas e onde as temperaturas chegam abaixo de 5 o C no inverno, como ocorre em Lagoa Vermelha, é aconselhado que os coletores planos sejam usados em conjunto a válvula anti-congelamento, pois esta evita o congelamento da água que fica presa na serpentina das placas danificando de forma irreversível os coletores. Na instalação de água fria existente, algumas modificações devem ser feitas. O reservatório de água fria deve ser elevado, para que fique em um plano acima do boiler, e a tubulação existente que conduz água fria do reservatório ao aquecedor deve ser substituída por um material condutor de água quente, uma vez que o aquecedor será abastecido pela água que provém do reservatório térmico. Já, a instalação de água quente, do aquecedor aos pontos de consumo, dispensa modificações.

40 40 Figura 20 - Vista Frontal SAS Fonte: Autora (2017) Figura 21 - Vista em Corte SAS Fonte: autora (2017)

41 41 Figura 22 - Vista Isométrica SAS Fonte: Autora (2017) No sistema proposto, a fonte auxiliar de energia, fornecida pelo aquecedor de passagem, se encontra na linha de consumo e tem a função de complementar a energia necessária para que a água atinja a temperatura desejada. No circuito, entre a água que provém dos coletores e o aquecedor de passagem há uma válvula desviadora termostática. Esse dispositivo, instalado antes do aquecedor de passagem, tem a função de desviar o fluxo da água diretamente para a tubulação que faz a distribuição para os pontos de consumo, caso a temperatura da água vinda dos coletores já tenha atingido a temperatura desejada. A válvula desviadora termostática escolhida, de acordo com informações do fabricante, quando calibrada a 45 o C, desvia o fluído diretamente para o ponto de consumo se a temperatura for superior a 45 o C, ou para valores abaixo de 45 o C desvia o fluído para o aquecedor a fim de elevar a temperatura. Pode-se variar a temperatura para desvio em 4,5 o C. A Figura 23 demonstra a ligação por meio da válvula, entre a tubulação de água quente e o aquecedor:

42 42 Figura 23 - Esquema representativo da ligação com válvula desviadora termostática. Fonte: Autora (2017) 4.2 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR Conforme descrito no capítulo 2, item 2.7, para o dimensionamento do sistema de aquecimento de água com energia solar foram determinados a área de painel coletor solar, e volume de armazenamento, conforme apresentado a seguir Volume Diário de Água Quente Consumida Para determinar o volume diário de água quente consumida, foram considerados dois lavatórios e um chuveiro, com as características de consumo apresentadas no Quadro 2. Para os lavatórios utilizou-se os parâmetros de frequência e vazão da NBR /2008, conforme anexo A, enquanto para o chuveiro, observou-se a vazão indicada no próprio equipamento e a frequência de utilização foi fornecida pelos proprietários.

43 43 Quadro 2 Consumo diário de água quente. Peça Vazão (l/min) Tempo (min) Frequência (uso/dia) Usuários Consumo (l/dia) Chuveiro Lavatório 4, ,8 Fonte: Autora (2017) Com isso, a partir do somatório dos consumos estimou-se um valor diário total consumido de 476,8 L/dia Cálculo do Volume de Armazenamento: O volume de armazenamento equivale ao volume do reservatório térmico (boiler) que deve ser instalado, baseado no valor diário de consumo de água quente. A capacidade do reservatório deve ser no mínimo 75% do volume consumido: V armaz.mín = 0,75Vc = 0,75.476,8 = 357,6L Logo, o boiler deverá ter um volume maior ou igual a 357,6 L. Para a temperatura de armazenamento adotou-se 50 o C. A temperatura ambiente na cidade de Lagoa Vermelha considerada para o cálculo, retirada do anexo B é 19 o C. A temperatura de consumo da água é de 43 o C. V armaz. = V consumo (T consumo T ambiente ) (T armaz T ambiente ) V armaz. = 476,8L (43 19) (50 19) = 369 L Dessa forma, será utilizado um reservatório térmico de 400L, pois entre os volumes de reservatório comercializados, é a capacidade que melhor atende à demanda calculada Cálculo da Área Coletora O cálculo da área coletora define o número de coletores que devem ser empregados para fornecer a energia necessária ao sistema de aquecimento solar. Devem ser considerados

44 44 alguns fatores como a temperatura ambiente e de armazenamento, irradiação média, produção média de energia, entre outros. Demanda de Energia Útil: E útil = V armaz ρ C ρ (T armaz T ambiente ) 3600 Perdas: E útil = ,18 (50 19) 3600 E útil = 14,398 kw h/dia E perdas = 0,15E útil E perdas = 0,15.14,39kwh/dia E perdas = 2,1585 kwh/dia Para o cálculo da área coletora deve-se determinar a produção média diária de energia específica do coletor solar (PMDEE), que leva em consideração o coeficiente de perdas e de ganhos de energia do coletor solar. Dessa forma, primeiramente é necessário definir o modelo do coletor solar e consultar suas variáveis, que são classificadas pelo INMETRO. O modelo escolhido é o MC 15 Evolution da Bosch Termotecnologia, faixa A na classificação do INMETRO do ano de As propriedades do coletor são Fr(ατ)n com 0,71 e FrUl apresentando 5,92. Fator de Correção: PMDEE = 4,901 (0,71 0,0249 5,92) = 2,76 kw/m 2.dia FC instal = FC instal = 1 1 [1, (β β ótimo ) 2 + 3, ɣ 2 ] 1 1 [1, (28 38) 2 + 3, ] = 1,031

45 45 Área Coletora: A coletora = (E útil + E perdas ) FC instal 4,901 PMDEE I G (14,4 + 2,1) 1,031 4,901 A coletora = = 6,16m 2 2,76 4,90 Segundo o fabricante, cada placa possui uma área de 1,5 metros quadrados, logo, serão necessárias 4 placas para atender a demanda. 4.3 INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS COMPLEMENTARES A disposição das tubulações que foram utilizadas no sistema de aquecimento solar pode ser observada no esquema da Figura 24. Constituem o circuito primário, a tubulação entre o reservatório de água fria que alimenta o boiler e as tubulações que fazem a recirculação da água entre o boiler e os coletores. A tubulação responsável pela condução da água quente do boiler ao aquecedor de passagem faz parte do circuito secundário.

46 46 Figura 24 Esquema de instalações hidráulicas complementares. Fonte: Autora (2017). O comprimento total das tubulações é de 18,5m, apresentando 4 curvas de 45 na interligação entre boiler e coletores, 7 joelhos entre reservatório de água fria e boiler, 5 joelhos e um tê no circuito secundário, entre o boiler e aquecedor de passagem. Os tubos e conexões hidráulicos dessas tubulações devem resistir às altas temperaturas do fluído e pressão. O cobre, o CPVC, o PPR são alguns dos materiais oferecidos no mercado. O cobre foi escolhido para essa instalação pois, apesar do preço um pouco mais alto, apresenta a melhor condutividade térmica entre os materiais, boa resistência e suporta temperaturas de até 220 C. As tubulações utilizadas nas interligações entre reservatório e coletores são de cobre com 22mm de diâmetro, compatível com as conexões dos coletores. Para o restante da tubulação utilizou-se mesmo material e diâmetro de 28mm, compatível com a bitola de entrada da bomba que fornece energia para o aquecedor. Foram previstos também, alguns cuidados práticos como um mecanismo de alívio de pressão, através de um respiro, para que o boiler não sofra deformações como dilatação

47 47 devido ao excesso de pressão ou deformação devido ao vácuo. O respiro é constituído por um tubo de cobre e diâmetro de 22mm, instalado no ponto mais elevado do ramal de distribuição de água quente. Além disso, tanto a entrada quanto a saída do reservatório térmico possuem registro de gaveta para eventuais manutenções na instalação. 4.4 ANÁLISE ECONÔMICA Inicialmente, foram orçados os custos com a aquisição do sistema de acordo com o praticado no mercado da região, apresentados no Quadro 3. Além dos materiais para instalação do aquecimento solar, foi considerada a substituição dos dutos flexíveis do aquecedor: Quadro 3 Despesas totais de instalação do sistema SAS. Item Valor Reservatório 400 l b.p ,00 Coletores (4 placas) 2.540,00 Válvula anti-congelamento 420,00 Válvula desviadora 720,00 Kit flexível aquecedor 140,00 Mat. hidráulicos (tubos, conexões, 3.570,00 registros), instalação, frete TOTAL 9.438,00 Fonte: Autora (2017). Para avaliar o gasto com gás, quantificou-se o mesmo sem o aquecimento solar para o período de um ano e utilizou-se a fração solar de 70% para determinar o consumo de gás após a instalação do sistema, que foi a única fonte complementar de energia para o sistema desenvolvido (Quadro 4).

48 48 Quadro 4 Despesas com gás Consumo de Gás - Sem SAS Consumo mensal de energia para aquecimento de água 495 kwh/mês Rendimento do Aquecedor 84,3% Demanda mensal gás (1kgGLP = 12,9 kwh) 45,52 kg/mês Preço médio do gás valor unitário 4,90 R$/kg Valor de consumo mensal R$ 223,00 Valor de consumo anual R$ 2.676,00 Consumo de Gás Com SAS Valor de consumo mensal R$ 66,90 Valor de consumo anual R$ 802,80 Fonte: Autora (2017). De acordo com as análises, a instalação do sistema de aquecimento solar gera uma economia de R$ 156,10 ao mês, totalizando um valor de R$ 1.873,20 ao ano. A partir dos dados, foi feita a análise de viabilidade econômica. A TMA considerada foi de 8,33% a.a., equivalente à taxa de variação de uma aplicação na poupança nos últimos 12 meses. O período considerado para os cálculos foi de 20 anos, pois corresponde ao tempo de durabilidade dos coletores, garantido pelo fabricante. A análise foi realizada com apoio de uma planilha eletrônica no Software Excel. O Quadro 5 mostra o resultado do saldo final de investimento com seu custo inicial e o abatimento do valor ano a ano devido à economia de gás.

49 49 Quadro 5 Valores obtidos de fluxo de caixa. Período Ano Fluxo de Caixa Fluxo de Caixa Acumulado Fluxo de Caixa Descontado Fluxo Caixa Descontado Acumulado R$ 9.438,00 -R$ 9.438,00 -R$ 9.438,00 -R$ 9.438, R$ 1.873,20 -R$ 7.564,80 R$ 1.729,16 -R$ 7.708, R$ 1.873,20 -R$ 5.691,60 R$ 1.596,20 -R$ 6.112, R$ 1.873,20 -R$ 3.818,40 R$ 1.473,46 -R$ 4.639, R$ 1.873,20 -R$ 1.945,20 R$ 1.360,16 -R$ 3.279, R$ 1.873,20 -R$ 72,00 R$ 1.255,57 -R$ 2.023, R$ 1.873,20 R$ 1.801,20 R$ 1.159,02 -R$ 864, R$ 1.873,20 R$ 3.674,40 R$ 1.069,90 R$ 205, R$ 1.873,20 R$ 5.547,60 R$ 987,63 R$ 1.193, R$ 1.873,20 R$ 7.420,80 R$ 911,69 R$ 2.104, R$ 1.873,20 R$ 9.294,00 R$ 841,58 R$ 2.946, R$ 1.873,20 R$ ,20 R$ 776,87 R$ 3.723, R$ 1.873,20 R$ ,40 R$ 717,13 R$ 4.440, R$ 1.873,20 R$ ,60 R$ 661,99 R$ 5.102, R$ 1.873,20 R$ ,80 R$ 611,09 R$ 5.713, R$ 1.873,20 R$ ,00 R$ 564,10 R$ 6.277, R$ 1.873,20 R$ ,20 R$ 520,72 R$ 6.798, R$ 1.873,20 R$ ,40 R$ 480,68 R$ 7.278, R$ 1.873,20 R$ ,60 R$ 443,72 R$ 7.722, R$ 1.873,20 R$ ,80 R$ 409,60 R$ 8.132, R$ 1.873,20 R$ ,00 R$ 378,10 R$ 8.510,35 Fonte: Autora (2017) O período 0 representa o momento de instalação do sistema e está relacionado ao valor de investimento inicial, portanto, tem o fluxo de caixa negativo. As colunas de fluxo de caixa e fluxo de caixa acumulado correspondem respectivamente ao valor da economia decorrente da redução do consumo de gás para cada ano e ao valor do investimento inicial subtraído do valor da economia. A coluna de fluxo de caixa descontado apresenta os valores do fluxo de caixa descapitalizados no tempo pela taxa de 8,33% a.a. A última coluna representa o abatimento do investimento ano a ano, considerando o valor descapitalizado do fluxo de caixa. Como resultado, o projeto além de reembolsar o valor investido, gerou um saldo final, cujo valor presente líquido é R$ 8.510,35.

50 50 Para o retorno de investimento, considerando apenas os custos totais e a economia, o prazo é de cinco anos e três meses. Porém, o payback simples não prevê a correção do valor do dinheiro no tempo. Analisando o Quadro 5, observa-se que o saldo correspondente ao valor de fluxo de caixa descontado acumulado torna-se positivo durante o sétimo ano. Assim sendo, foi verificado que o payback descontado ocorre dentro do décimo mês do sétimo ano. Ainda, definido o VPL de cada ano, se confirmou a viabilidade do sistema a partir do cálculo da TIR Taxa Interna de Retorno, cujo valor encontrado foi de 19,26%, que é maior que a taxa mínima de atratividade de 8,33%.

51 51 5 CONCLUSÃO Este trabalho teve como objetivo realizar uma análise da viabilidade técnica e econômica da agregação de coletores solares ao aquecimento de água em uma residência unifamiliar. Por meio de revisão bibliográfica, compreendeu-se melhor os sistemas de aquecimento solar, assim como, os parâmetros envolvidos na análise da viabilidade econômica com base nos fluxos de caixa do projeto. A partir dos resultados obtidos verificou-se que o investimento para implantação do sistema seria de R$ 9.438,00, o tempo de retorno de investimento de 7 anos e dez meses, com taxa interna de retorno maior que a taxa mínima atrativa e valor presente líquido de R$ 8.510,35. Com isso, conclui-se que, embora represente um alto investimento inicial, a análise econômica comprova que a implementação do sistema de aquecimento solar é viável e gera economia ao longo do tempo, sendo mais vantajosa a instalação do sistema do que o investimento em uma aplicação na poupança. Vale ressaltar que a utilização de um sistema de aquecimento solar não é apenas conveniente no aspecto econômico, mas constitui uma solução ambientalmente sustentável e a larga incorporação dessa tecnologia no país contribui para reduzir a dependência de energia elétrica e de recursos não-renováveis.

52 52 6 LIMITAÇÕES Este trabalho limitou-se em uma única configuração de projeto baseado em uma alternativa encontrada que se mostrou interessante para a situação estudada e não se objetivou fazer comparações com outras possibilidades de configurações. Para fins de análise econômica, o levantamento de despesas com GLP baseou-se no valor atual do gás, uma vez que a previsão de sua variação depende de diversos parâmetros como impostos incidentes, região geográfica, estratégias adotadas por empresas fornecedoras, entre outros. Ainda, o custo de manutenção do sistema também não foi incluído por ser uma despesa mínima, dependendo apenas da limpeza da superfície das placas solares uma vez ao ano. O dimensionamento do sistema de aquecimento solar é válido somente para a situação estudada, não podendo ser generalizado para outras características de consumo ou outras regiões do país com condições climáticas diferentes, já que essas são variáveis que influem no resultado do dimensionamento.

53 53 REFERÊNCIAS ABRAVA. Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento- Manual de Capacitação de Projetos de Sistemas de Aquecimento Solar, Ed. Abril, 2008 ABRINSTALL; COMGÁS. Sistemas de Aquecimento de Água para Edifícios através da associação Energia Solar e Gás Natural. Manual Técnico para Projeto e Construção de Sistemas de Aquecimento Solar & Gás Natura, ALTOÉ, L.; FILHO, D. L.; CARLO, J. C. Análise energética de sistemas solares térmicos para diferentes demandas de água em uma residência unifamiliar Universidade Federal de Viçosa, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13103: Adequação de ambientes residenciais para instalação de aparelhos que utilizam gás combustível. Rio de Janeiro, NBR 15569: sistema de aquecimento solar de água em circuito elétrico direto: projeto e instalação. Rio de Janeiro: ABNT, 2008 ASTROSOL. Astrosol Aquecedores. Diponível em: < Acesso em: 20 de janeiro de BEN. Balanço Energético Nacional. Brasília: Ministério de Minas e Energia, CHAGURI JUNIOR, J.J. Sistemas prediais de aquecimento de água a gás: parâmetros de dimensionamento e gerenciamento p. Dissertação (Mestrado em Energia) Universidade de São Paulo, SP COELHO, D. M. Identificação de variáveis críticas e simulação do uso de coletores solares em prédios residenciais p. Dissertação (Mestrado em Ciências em Planejamento Energético) - Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia, Rio de Janeiro, DASOL. Departamento Nacional de Aquecimento Solar da ABRAVA. Revista Sol Brasil, 30 a Edição, DUARTE, P. N. A. Colectores Solares Térmicos Análise de desempenho térmico de soluções tecnológicas no mercado p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade do Porto, ELETROBRÁS, PROCEL. Energia Solar para aquecimento de água no Brasil, EPE. Balanço energético de energia. Disponível em: < 2016_Web.pdf> Acesso em: 04 de fevereiro de 2017.

54 54 EPE. Empresa de Pequisa Energética. Disponível em: < m2016.aspx?categoriaid >. Acesso em 01 de fevereiro de FERREIRA, R. Gestão Financeira. Universidade Salvador, GITMAN, L. J. Princípios de Administração Financeira. 8ª edição. São Paulo: Harbra, GITMAN, Lawrence. Princípios da administração financeira. São Paulo: Qualitymark, 1992 GOOGLE MAPS. Disponível em: ,204m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x94e205fa1266c689:0xd67801ac15806a2f!8 m2!3d !4d > Acesso em janeiro HELIOTECK. Informático Técnico. Disponível em: < Tecnicos/Informativo_tecnico_comercial_apoio_gas.pdf>. Acesso em 27 janeiro de INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. IEA. Solar heat worldwide. Markets and Contribution to the Energy Supply Ed LUSA, D.; PORTOLAN DOS SANTOS, I. Analise da viabilidade do sistema de coletores solares térmicos como alternativa para redução dos gastos com energia em habitações de interesse social p. Projeto de TCC. (Especialização em Eficiência Energética Aplicada aos Processos Produtivos) Universidade Federal de Santa Maria, MACEDO, Joel de Jesus. Análise de projeto e orçamento empresarial [livro eletrônico]/joel de Jesus Macedo, Ely Celia Corbari. Curitiba: InterSaberes, (Série Gestão Financeira). 2Mb; PDF MAGAGNIN, A. L. Impactos econômicos do uso de energia solar para aquecimento de água em residências unifamiliares p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Civil Universidade do Extremo Sul Catarinense, Criciúma, SC, MANEA, T. F. Desenvolvimento de uma bancada para ensaio de coletores solares de tubo de vidro a vácuo p. Dissertação - (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, MATAJS, R. Introdução ao Sistema de Aquecimento Solar, Vitae Civilis, Ekos Brasil, Brasília, METÁLICA. Portal metálica construção civil. Disponível em: < Acesso em 20 abril de 2017.

55 55 MUND, L. F. Análise da viabilidade técnica e econômica de coletores solares para aquecimento de água em residências p. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Faculdade Horizontina, Horizontina, RS, NASPOLINI, H. F. Agregação da energia solar térmica ao aquecimento de água para o banho na moradia popular no Brasil p. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, RETSCREEN INTERNATIONAL. Disponível em: < Acesso em jan POZZEBON, F. B. Aperfeiçoamento de Um Programa de Simulação Computacional para Análise de Sistemas Térmicos de Aquecimento de Água Por Energia Solar p. Dissertação (mestrado) Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, RIBEIRO, V. B. M. Dimensionamento de instalações solares térmicas em edifícios: projeto e análise de viabilidade econômica p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade do Porto, RODRIGUES, D; MATAJS R. Um banho de sol para o Brasil. Instituto Vitae Civilis, ROSA, F. N. Aplicabilidade de coletores solares com tubo evacuado no Brasil. Dissertação, p. (Mestrado em Engenharia) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, SÃO PAULO. Câmara Municipal de São Paulo. Lei nº de 03/07/2007. Diário Oficial da Cidade de São Paulo, nº 121, de 4 de julho de SOUZA, A; CLEMENTE, A. Decisões financeiras e análise de investimentos: fundamentos, técnicas e aplicações. São Paulo: Atlas 2009.

56 56 ANEXO A VALORES SUGERIDOS PARA O CONSUMO DIÁRIO DE ÁGUA QUENTE Fonte: NBR 15569/2008

57 57 ANEXO B TEMPERATURA MÉDIA ANUAL NAS REGIÕES BRASILEIRAS Fonte : ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2006

58 58 ANEXO C RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL DIÁRIA EM MÉDIA ANUAL NAS REGIÕES BRASILEIRAS FONTE: ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR, 2006.