UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL INSTALAÇÃO PREDIAL DE ÁGUA QUENTE Prof. Adolar Ricardo Bohn - M. Sc. 1
INSTALAÇÕES PREDIAIS DE ÁGUA QUENTE INTRODUÇÃO Há situações em que a disponibilidade de água quente sempre foi imprescindível, como em hospitais, hotéis, motéis, lavanderias, restaurantes etc. Paralelamente houve também uma evolução nas exigências de conforto nas próprias residências, consequentemente a instalação de água quente é fato corriqueiro na maioria das residências de padrão médio a alto e praticamente indispensável em qualquer prédio. Este fato não poderá ser olvidado pelos profissionais da área de instalações nem nos cursos de engenharia, que deverão abordar o assunto com a devida ênfase. As exigências técnicas mínimas a serem atendidas pela instalação de água quente estão na norma NBR 7198/82 - "Instalações Prediais de Água Quente". FINALIDADE DO USO E TEMPERATURA ADEQUADA A temperatura mínima com que a água quente deve ser fornecida depende do uso a que se destina. Nos pontos de consumo poderá ser feita uma dosagem com água fria, para obter temperaturas menores. Hospitais e laboratórios : 100 C ou mais Lavanderias : 75 a 85 C Cozinhas : 60 a 70 C Uso pessoal e banhos : 35 a 50 C MODALIDADES DE FORNECIMENTO DE ÁGUA QUENTE Como não há fornecimento público ou natural de água quente, a mesma terá que ser produzida dentro da edificação. Há três modalidades de produção de água quente: INDIVIDUAL: se produz água quente para um único aparelho, ou, no máximo, para aparelhos do mesmo ambiente. São os aparelhos localizados no próprio BWC ou na área de serviço. CENTRAL PRIVADO: Se produz água quente para todos os aparelhos de uma unidade residencial (casa, apartamento). Esta deve ser a modalidade preferida em prédios de apartamentos em vista da dificuldade do rateio na conta de energia e da manutenção, que será de responsabilidade de cada condômino. CENTRAL COLETIVA: Se produz água quente para todos os aparelhos ou unidades da edificação. Normalmente situada no térreo ou no sub-solo, para facilitar a manutenção e o abastecimento de combustível. É recomendada quando não há rateio da conta, como em: hotéis, hospitais, motéis, clubes, indústrias, etc. MATERIAIS UTILIZÁVEIS A tubulação de água quente pode ser feita com três materiais, ou uma combinação destes: cobre, ferro galvanizado, CPVC. A escolha dependerá de alguns fatores, como: custo, vida útil, coeficiente de dilatação, limite de temperatura, condutividade térmica, mão-de-obra. O COBRE: Apresenta custo bastante elevado. Vida útil muito longa. Limite de temperatura acima do mínimo normalmente exigido. Apresenta alta condutividade térmica, exigindo um bom isolamento térmico. Seu coeficiente de dilatação também é alto = 0,000017m/ C. As juntas são soldadas com solda de estanho e chumbo, exigindo mão-de-obra especializada. 2
O FERRO: Apresenta custo bastante elevado, embora menor que o do cobre. Vida curta, se comparada com a vida útil da edificação, devido às incrustações e à corrosão.. Limite de temperatura acima do mínimo normalmente exigido. Apresenta alta condutividade térmica, exigindo um bom isolamento térmico. Seu coeficiente de dilatação também é alto = 0,000012m/ C. As juntas são rosqueadas, exigindo mão-de-obra especializada. O CPVC O Policloreto de Vinila Clorado é um termoplástico semelhante ao PVC, porém com percentual maior de cloro. É o de menor custo. Apresenta vida útil longa, baixo coeficiente de dilatação, baixa condutividade térmica, dispensando inclusive o isolamento térmico. As juntas são soldáveis, exigindo mão-de-obra treinada, pois são necessários alguns cuidados, como: é indispensável o uso de primer antes do adesivo e não devem ser lixadas as superfícies a serem soldadas. A principal limitação do CPVC é o limite de temperatura, que é de 80 C. Este fato exige a instalação de uma termo-válvula. Esta termo-válvula deve impedir que a água quente ultrapasse a temperatura de 80 C, através da mistura com água fria. Ela deve ser instalada entre o aquecedor e a tubulação de água quente. Sua vida útil é de aproximadamente 3 anos. Sendo o CPVC um plástico, deve haver preocupação com a sustentação, para impedir deformações. φ de referência - pol. Espaço entre suportes - m 15 1/2" 0,9 22 3/4" 1,0 28 1" 1,1 Na vertical: usar suporte de fixação a cada 2m, 3
CUIDADOS IXIGIDOS NA INSTALAÇÃO ISOLAMENTO TÉRMICO A tubulação de água quente deve ser totalmente solada contra perda de calor. Os isolantes mais conhecidos são: Calhas de isopor, de lã de vidro, de cortiça. Massa de amianto e cal. Argamassa de areia, cal e vermiculite. Na tubulação embutida nunca usar cimento, para que a tubulação fique livre para as dilatações térmicas. Nas tubulações não embutidas usar meias-canas para envolver o cano. Nas tubulações expostas às intempéries usar, sobre o isolamento térmico, uma lâmina de alumínio, para impedir a entra de água. Tubulação em canaleta sujeita à umidade, proteger o isolante térmico com camada de massa asfáltica ou outro impermeabilizante. Diâmetro do tubo - mm Espessura do isolamento - mm 15 a 32 20 40 a 60 30 75 a 100 40 Paredes planas 50 DILATAÇÃO - Deve-se evitar a aderência da tubulação com a estrutura. - A tubulação deve poder se expandir livremente. - Em trechos longos e retilíneos deve-se usar cavaletes, liras ou juntas de dilatação especiais que permitem a dilatação. PRUMADA - A alimentação de água dos aquecedores deve ser feita com uma prumada exclusiva. Golpes de ariete são extremamente prejudiciais. PRESSÃO - A pressão estática não deve ultrapassar 40mca. - Em edificações de altura superior a 40m, devem ser previstos dispositivos para redução de pressão. - Nos pontos de consumo, aas pressões da água fria e água quente devem estar praticamente equilibradas. 4
AVALIAÇÃO DO CONSUMO DIÁRIO O consumo diário de água quente pode ser feito com auxílio da tabela da Norma: Tipo de Ocupação Consumo (litros/dia) Alojamento provisório de obra 24 por pessoa Casa popular ou rural 36 por pessoa Residência 45 por pessoa Apartamento 60 por pessoa Quartel 45 por pessoa Escola (internato) 45 por pessoa Hotel (sem incluir cozinha e lavanderia) 36 por hóspede Hospital 125 por leito Restaurante e similares 12 por refeição Lavanderia 15 por Kgf de roupa seca Observações: - No caso de apartamento ou casa com central privada, considerar 2 pessoas por dormitório + empregados. - é indispensável que o acumulador (depósito de água quente) tenha pelo menos capacidade igual à da banheira, ( de 150 a 180 litros). - No caso de apartamentos com central coletiva, considerar 2 pessoas por dormitório, mais empregados, mais 150 litros por máquina de lavar roupa e mais 180 litros por banheira instalada. Exemplo: Residência com 3 dormitórios, mais empregada e banheira instalada. CD = (3dorm. x 2pessoas + empregada) x 45 litros = 300litros/dia Acumulador com 150 litros, no mínimo, por causa da banheira. Exemplo: Um prédio com 7 pavimentos, com 3 apartamentos por andar, com 2 dormitórios por apartamento, sem dependência, mas com banheira. CD = (7andares x 3aptos. x 2dorm. x 2pessoas) x 60litros + 7baheiras x 180litros. = 6300litros/dia. O consumo diário de água quente não ocorre de forma uniforme ao longo das 24 horas diárias. Ocorrem picos de consumo. As tabelas a seguir são úteis na avaliação destes picos e na escolha do aquecedor adequado. Tipo de Edifício Residências Apartamentos Hotéis Edifícios de escritórios Fábricas Restaurantes 3 a classe 2 a classe Consumo diário a 60 C Consumo nas horas de pico - l/h Duração do pico - h Capacidade do reservatório em função do CD. Capacidade horária de aquecimento em função do CD. 60 litros por pessoa por dia 1/7 4 1/5 1/7 2,5 litros por pessoa por dia 1/5 2 1/5 1/6 6,3 litros por pessoa por dia 1/3 1 2/5 1/8 Litros/ pessoa 1,9 3,2 1/10 1/10 5
1 a classe 5,6 Para aquecedores elétricos de acumulação (Boilers)a norma recomenda os valores da tabela abaixo: Consumo Diário 70 C Capacidade do aquecedor - l Potência - KW 60 50 0,75 95 75 0,75 130 100 1,0 200 150 1,25 260 200 1,5 330 250 2,0 430 300 2,5 570 400 3,0 700 500 4,0 850 600 4,5 1150 750 5,5 1500 1000 7,0 1900 1250 8,5 2300 1500 10,0 2900 1750 12,0 3300 2000 14,0 4200 2500 17,0 5000 3000 20,0 Para aquecimento com caldeira a óleo ou gás procede-se da seguinte forma: a) calcula-se o Consumo Diário - CD b) Considerando que t 2 -t 1 = 50 C, onde: t 2 = temperatura no reservatório t 1 = temperatura natural calcula-se a capacidade teórica do reservatório ( V ), usando uma fração do CD: Grandes residências: V = 1/3 CD Apartamentos de 5 pessoas: V = 1/5 CD Grandes apartamentos: V = 1/7 CD c) toma-se para o reservatório um volume real ( VR) = 1,33 V d) Com CD e V entra-se no gráfico: 6
Entra-se nas abcissas com o valor de CD. Sobe-se até a linha correspondente a V. Horizontalmente à direita se lê o volume de água aquecida necessária por hora e à esquerda, a capacidade da caldeira em Kcal/hora. Exemplo: Dimensionar o sistema de produção de água quente para um prédio de 12 pavimentos, com 4 apartamentos de 3 dormitórios por pavimento. CONSUMO DIÁRIO: CD = 12 pav. x 4 apart. x 3 dorm. x 2 pess. x 60litros = 17280 litros. No sistema elétrico: Consumo de pico CP = 1/7 CD = 17280/7 = 2468 litros/hora Capacidade do reservatório - VR = CD/5 = 17280/5 = 3456litros Capacidade de aquecimentos = CC/7 = 17280/7 = 2468litros/h Energia necessária: Q = m x c x (t 2 - t 1 ) = 2468 x 1 x (65-15) = 123400 Kcal Potência: P = Q/t = 123400Kcal/ 1hora = 123400Kcal Energia elétrica: 860Kcal = 1KWh E = 123400Kcal/860KWh = 143,5 KWh Potência elétrica: P = E/t 143,5KWH/1hora = 143,5KW No sistema a óleo ou gás: CD = 17280litros Volume teórico do reservatório: V = 1/5 CD = 17280/5 = 3456litros Volume real: VR = 1,33xV = 1,33 x 3456 = 4596 litros Pelo gráfico: 7
Água aquecida por hora = 1650litros Capacidade da Caldeira = 82000kcal. Poderes Caloríficos: Óleo: 10000Kcal/ Kg Gás de rua: 4200Kcal/m 3 GLP: 11000Kcal/Kg Eletricidade: 860Kcal/KWh Consumo de óleo: O poder calorífico do óleo é de 10000Kcal/ Kg e o rendimento das caldeiras em torno de 85%. Assim: Óleo = 82000/(10000 x 0,8) = 10,25 Kg 8
Consumo de água Quente nos Edifícios, em função do Número de Aparelhos, em litros por Hora, a 60 C Aparelhos Aptos. Clubes Ginásios Hospitais Hotéis Fábricas Escritórios Residências Escolas Lavatório privado 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 Lavatório público 5,2 7,8 10,4 7,8 10,4 15,6 7,8 xxx 19,5 Banheiras 26 26 39 26 26 39 xxx 26 xxx Lavador de pratos 19,5 65 xxx 65 65 26 xxx 19,5 26 Lava-pés 3,9 3,9 15,6 3,9 3,9 15,6 xxx 3,9 3,9 Pia de cozinha 13 26 xxx 26 26 26 xxx 13 13 Tanque de lavagem 26 36,4 xxx 36,4 36,4 36,4 xxx 26 Pia de copa 6,5 13 xxx 13 13 xxx xxx 6,5 13 Chuveiros 97,5 195 292 97,5 97,5 292 xxx 97,5 292 Consumo máximo 30 30 10 25 25 40 30 30 40 provável ( % do CD) Capacidade do reservatório ( % do CD) 125 90 100 60 80 100 200 70 100 Valores usuais de Capacidade de Reservatórios Capacidade do Reservatório - litros 60 75 115 175 230 Consumo Diário - litros 115-230 230-380 380-760 760-1140 1140-1710 Pequena família Família média Família média Família grande Família grande Aplicações Casa pequena Um só banheiro Dois banheiros Loja pequena Pequenos edifícios de aptos 9
DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO Adota-se o critério do CONSUMO MÁXIMO PROVÁVEL e o método de dimensionamento da SOMA DOS PESOS, tal qual no dimensionamento da tubulação de água fria. AQUECIMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA QUENTE FONTES DE ENERGIA O calor disponível na edificação tem basicamente três origens: 1 Combustão de: -sólidos ( madeira, carvão...) -líquidos ( óleo, querosene, álcool...) -gás ( gás de rua, GLP...) 2 Eletricidade 3 Energia Solar Na prática estas fontes podem ser associadas, sendo uma a fonte principal e a outra, suporte. Numa eventual falha ou insuficiência da principal a fonte suporte complementa o fornecimento. É o caso da energia solar que tem como suporte a eletricidade, para longos períodos nublados. FORMAS DE AQUECIMENTO Há duas maneiras de fazer o aquecimento: AQUECIMENTO DIRETO O calor é transferido diretamente da fonte de calor para a água que será aquecida. É utilizado na modalidade individual de fornecimento, nos aquecedores de passagem, sejam elétricos (chuveiro, torneira) ou a gás. Também é utilizado na modalidade que usa central privada, seja elétrica, a gás ou fogão. Aquecedor de passagem a gás 11
Aquecedor elétrico de acumulação Esquema de ligação de prédio de apartamentos, usando aquecedor elétrico e válvula de segurança 12
Esquema de ligação de prédio, usando aquecedor elétrico com respiro. AQUECIMENTO INDIRETO Neste caso a fonte de calor aquece um fluido intermediário. Este Fluido cede o calor para a água no intercambiador (trocador de calor). É utilizado na modalidade de aquecimento central coletivo. 13
SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO A distribuição de água quente pode ser feita de três maneiras: 1 DISTRIBUIÇÃO ASCENDENTE: com, ou sem retorno; com, ou sem bombeamento. 2 DISTRIBUIÇÃO DESCENDENTE: com, ou sem retorno; com, ou sem bombeamento. 3 DISTRIBUIÇÃO MISTA: descendente e ascendente conjugadas. As colunas de distribuição descendentes podem ser utilizadas para fazer o retorno. 14
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USO DA ENERGIA SOLAR O Sol envia uma quantidade fabulosa de energia para a Terra. Anualmente chegam 10 18 KWh de energia enviados pelo Sol. Isto equivale a 10 13 toneladas de carvão, que é a reserva total de carvão disponível. A humanidade consome aproximadamente 10 14 KWh por ano, ou seja, 1/10000 da energia que o Sol envia. O Sol envia por hora a energia que a humanidade consome por ano. EQUILIBRIO ENERGÉTICO TERRESTRE Evidentemente deve haver uma troca de energia entre a Terra e o espaço, e esta troca deve satisfazer a seguinte equação, sob pena de haver um superaquecimento gradual da superfície terrestre: ENERGIA RECEBIDA = ENERGIA CEDIDA Energia recebida = energia enviada pelo Sol + energia gerada pela queima de combustíveis fósseis Energia cedida = Energia devolvida ao espaço + energia acumulada na formação de novos fósseis. A energia enviada pelo Sol, ao entrar na atmosfera terrestre se distribui da seguinte forma, como mostra o gráfico: 16
Os 47% que atingem o solo são assim consumidos: 30% para evaporar a água 0,3 a 1,5% para a síntese clorofiliana 0,3% são transformados em energia eólica (ventos) O restante é emitido pela Terra sob Forma de radiação térmica. CARACTERÍSTICAS DA ENERGIA SOLAR. A energia solar, apesar da quantidade fabulosa, tem aproveitamento muito limitado por causa das seguintes características: - Apresenta-se na forma disseminada, não concentrada, portanto de difícil captação. - Apresenta disponibilidade descontínua ( dia e noite, inverno e verão). - Apresenta variações casuais (céu nublado ou claro). Assim, além do ônus da captação, também há necessidade de instalação de acumulação, para os períodos ou momentos de carência. Entretanto o uso da energia solar vai se difundido aos poucos em todo mundo, porque ela apresenta algumas vantagens, cada vez mais importantes: - não é poluidora. - é auto-suficiente. - é completamente silenciosa - é uma fonte alternativa de energia. - geralmente disponível no local do consumo. A energia solar é aproveitada sob três formas: - energia térmica - energia elétrica - energia química GERAÇÃO DE ÁGUA QUENTE À BASE DE ENERGIA SOLAR Um sistema de suprimento de água quente à base de energia solar se compõe de três elementos: Coletores de energia (placas coletoras), acumulador de energia ( reservatório de água quente) e rede de distribuição. 17
COLETOR CONSTRUÇÃO: 18
MONTAGEM DOS COLETORES ORIENTAÇÃO: deve ser orientado para o norte verdadeiro. INCLINAÇÃO: a inclinação com a horizontal deve ser igual a latitude do local + 5 a 10 NÍVEL: para que a circulação natural ocorra, deve haver um desnível de 60cm, ou mais, entre a saída do coletor e o fundo do reservatório de água quente. 19
LIGAÇÃO: Há três maneiras de interligar os coletores: a) LIGAÇÃO EM PARALELO: Nesta ligação a circulação natural funciona bem. Todos os coletores funcionam na mesma temperatura e têm a mesma eficiência. Sendo C 1, C 2, C 3 os coletores, sendo T 1, T 2, T 3 as temperaturas dos coletores C 1, C 2, C 3, e sendo E 1, E 2, E 3 as eficiências de C 1, C 2, C 3, se verifica que: T 1 = T 2 = T 3 e E 1 = E 2 = E 3 Usando mais coletores, aumenta o volume de água quente, porém não aumenta a temperatura. b) LIGAÇÃO EM SÉRIE: Nesta ligação a circulação deve ser forçada.. Sendo C 1, C 2, C 3 os coletores, sendo T 1, T 2, T 3 as temperaturas dos coletores C 1, C 2, C 3, e sendo E 1, E 2, E 3 as eficiências de C 1, C 2, C 3, se verifica que: T 1 < T 2 < T 3 e E 1 > E 2 > E 3 A água passa em todos os coletores, e em cada coletor há ganho de temperatura. Usando mais coletores, aumenta a temperatura da água, porém não aumenta o volume. 20
c) LIGAÇÃO SÉRIE-PARALELO: É uma combinação das ligações anteriores, e a circulação deve ser forçada. ÁREA: A área necessária de coletores é calculada pela fórmula: Q I R S = Onde: S = área dos coletores - m 2 Q = calor necessário - Kcal/dia I = intensidade de radiação solar - KWh/m 2 x dia ou Kcalxh/m 2 R = rendimento dos coletores - geralmente = 50% Exemplo: Quantos m 2 de placa coletora são necessários para suprir uma família de 6 pessoas com água quente? SOLUÇÃO: Consumo diário: CD = 6 pessoas x 45 litros = 270litros Calor necessário para elevar a água de 20 C para 60 C: Q = m x c x ( t 2 - t 1 ) = 270 x 1 x (60-20) = 10 800Kcal. Insolação de 1 cal/cm 2 /min durante 7 horas por dia. I = 1 x 10000 x 60 x 7 = 4200000 cal/m 2 /dia = 4200 Kcal/m 2 /dia. S = 10800 4200 0,5 = 5,14 m Isto equivale então a aproximadamente 0,8 m 2 de coletor por pessoa. 2 21
VOLUME DO RESERVATÓRIO No aquecimento solar adota-se um reservatório com volume igual ao consumo diário, portanto maior que nos demais sistemas, devido à intermitência da insolação. BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA MACINTYRE, Archibald Joseph. Manual de instalações hidráulicas e sanitárias. Ed. Guanabara. 1990. CREDER, hélio. Instalações hidráulicas e sanitárias. Ed. Livros Técnicos e Científicos. 1990. TUBOS E CONEXÕES TIGRE SA. Manual técnico de instalações hidráulicas e sanitárias. Ed. Pini Ltda. l987. 2 ed. BORGES, Ruth Silveira e Wellington Luiz. Manual de instalações prediais hidráulicosanitárias e de gás. Ed. Pini. 1992. 4. ed. MELO, Vanderley de Oliveira e AZEVEDO, José M. Neto. Instalações prediais hidráulico-sanitárias. Ed. Edgard Blücher Ltda. S. Paulo 1990. TANAKA, Takudy. Instalações prediais hidráulicas e sanitárias. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 1986 NBR 7198 - Instalações Prediais de Água Quente 22